Flexibilidad de la demanda
La central eléctrica más barata puede ser la que nunca se construye. Calentar agua al mediodía en lugar de a las seis, o cargar un automóvil cuando sopla el viento, no produce energía nueva, pero puede reducir los picos, el carbono y las facturas.
NASA
Cada red eléctrica tiene que hacer coincidir la oferta y la demanda cada segundo. Durante un siglo, esto se hizo ajustando el suministro: las centrales de carbón, gas e hidroeléctricas siguieron lo que la gente decidiera encender. No se puede decir cuándo producir eólica y solar, por lo que una red limpia necesita que la otra mitad de la ecuación también se mueva. La flexibilidad de la demanda significa cambiar cuándo utilizamos electricidad, y a veces cuánto, en respuesta a precios, señales o control automático, sin renunciar al servicio que queremos: agua caliente, un hogar cálido, un coche cargado, platos limpios.
Es la única alternativa energética en nuestra lista que no produce energía en absoluto. Por eso es importante. **Un kilovatio-hora movido del pico de la tarde a una tarde soleada puede reemplazar la producción de una planta de gas y rescatar energía solar que de otra manera se desperdiciaría, por el precio de un controlador y una tarifa justa. Ya funciona a la escala de millones de hogares. Sus límites son la confianza, la medida y la paciencia de las personas que se les pide participar, no la física.
Qué es el ADN
La flexibilidad de la demanda abarca todo lo que permite que el uso de electricidad siga la oferta en lugar de al revés. Los ingenieros lo agrupan en cuatro tipos:
- Shift: mueve el uso a otra hora sin cambiar el total. Calentar un tanque de agua caliente al mediodía, cargar un automóvil durante la noche, poner en marcha el lavavajillas cuando hay viento fuerte.
- Cobertizo: reduce el uso por un corto tiempo y acepta un poco menos de servicio, por ejemplo un termostato un grado más bajo durante una hora durante un pico invernal.
- Forma: cambiar el patrón diario a través de tarifas que hagan que algunas horas sean más baratas que otras, como los precios por hora o media hora.
- Shimmy: ajustes rápidos y pequeños en segundos o minutos que ayudan a mantener estable la frecuencia de la red, lo cual los calentadores de agua, las baterías y los cargadores de automóviles pueden hacer sin que nadie se dé cuenta.
Cuando miles de estos dispositivos son coordinados por software y ofrecidos a la red como un recurso, el resultado se llama una central eléctrica virtual: se comporta como una central eléctrica en el pico, excepto que está hecha de hogares. Las revisiones del campo describen la caja de herramientas completa y cómo la flexibilidad complementa el almacenamiento y las redes más fuertes (Lund et al., 2015; Albadi y El-Saadany, 2008).
¿Cómo funciona?
La curva del pato. En un día soleado de primavera en una región con mucha energía solar, la demanda que otras plantas deben satisfacer, llamada carga neta, disminuye a mitad del día y luego aumenta considerablemente por la noche cuando el sol se pone y las personas regresan a casa. Trazada durante un día, la curva se ve como un pato, una forma hecha famosa por el operador de red de California (CAISO, 2016). La empinada rampa nocturna y el pico son las horas más caras para servir; la barriga del mediodía significa que los parques solares se apagan o se reducen por falta de demanda.
La aritmética simple. Tres números describen lo que hace la flexibilidad, y el explicador anterior los calcula para una cuadrícula ilustrativa del tamaño de una ciudad.
- Carga neta máxima, la mayor brecha entre demanda y eólica más solar. Establece cuántas plantas de gas, baterías o importaciones deben estar listas. Mover la carga fuera de la noche lo baja.
- Curtailment, la energía limpia producida pero no utilizada. Mover la carga en las horas soleadas lo utiliza.
- Intensidad de carbono, el promedio de emisiones por kWh consumido. Si el hueco se llena con gas a unos 450 g de CO2 por kWh, cada kWh movido desde el hueco al excedente ahorra unos 450 g.
En el día ilustrativo, cambiar cuatro cargas que juntas usan 300 MWh al día, alrededor de una séptima parte de la demanda de la ciudad, reduce el pico nocturno que el gas debe cubrir de unos 112 MW a 61 MW, reduce la energía solar y eólica recortada de unos 580 a 380 MWh, y disminuye la intensidad de carbono de unos 130 a 90 g por kWh. La energía utilizada es exactamente la misma. Las formas son ilustrativas, pero el mecanismo es el que los operadores de la red confían.
Por qué algunas cargas son ideales. Una buena carga flexible almacena energía o tiene holgura en su programación:
- Calentadores de agua Las baterías térmicas: un tanque de 200 litros calentado a 40 °C contiene unos 9 kWh. Calentarla al mediodía en lugar de al amanecer no cambia nada para la ducha.
- Coches eléctricos de lujo El vehículo permanece aparcado la mayor parte del día, y un trayecto diario típico de 30 a 50 km solo necesita unos 5 a 10 kWh. Un coche enchufado durante diez horas necesita cargar por uno o dos de ellos, y puede elegir cuál.
- Bombas de calor En una casa bien aislada puede precalentar la casa por la tarde y pasar el pico de la noche con la propia masa del edificio como almacenamiento.
- Lavavajillas, lavadoras y secadoras Necesito una hora de finalización, no una hora de inicio.
Control, no fuerza de voluntad. Pedir a la gente que observe la cuadrícula no dura. Las historias de éxito medidas combinan un precio o una recompensa clara con la automatización: un termostato inteligente, un cargador o un controlador de calentador de agua que sigue la señal, con una anulación fácil. En el Servicio de Flexibilidad de la Demanda de Gran Bretaña, más del 99% de los participantes en el invierno de 2023/24 todavía respondieron a mano (NESO, 2024), que es un compromiso cívico impresionante y también la razón por la cual la automatización importa: las manos se cansan, los controladores no.
Los límites: teóricos y prácticos
Lo que la física limita. La flexibilidad está limitada por el almacenamiento en el servicio: cuántas horas se mantiene caliente un tanque, cuánto tiempo se mantiene caliente una casa, cuánto necesita un automóvil por la mañana. Puede cambiar la energía por horas, ocasionalmente por un día, pero no de verano a invierno. Tampoco puede compensar una semana de tiempo tranquilo y nublado: eso necesita almacenamiento, generación firme o importaciones.
Lo que las personas y los mercados limitan:
- Participación y fatiga. Los eventos voluntarios funcionan bien unas cuantas veces al invierno. Las solicitudes diarias sin automatización pierden personas.
- El problema de la línea base. Para pagar a alguien por usar menos, debes estimar lo que habría usado de otra manera. Las líneas de base pueden ser cuestionadas y son difíciles de verificar para un hogar.
- Rebote y nuevos picos. La carga que se desplaza de una hora aterriza en otra. Si miles de cargadores comienzan al mismo tiempo que un período barato, pueden crear un nuevo pico en los cables locales. Los buenos esquemas escalonan y aleatorizan.
- Equidad. Los hogares con automóviles, bombas de calor y medidores inteligentes pueden ganar flexibilidad; los que no lo tienen no pueden. Los aranceles no deben penalizar a las personas que no pueden cambiar, como aquellos que cuidan a alguien en casa.
- Privacidad y seguridad cibernética. Un sistema que puede cambiar un millón de dispositivos es un objetivo. Los estándares, el cifrado y las alternativas locales son esenciales.
- Medición y liquidación. Sin medidores de media hora y reglas de mercado que paguen por la flexibilidad, ni siquiera los hogares dispuestos pueden ser recompensados.
Proyectos reales, medidos
| Programa | Lo que se midió | Fuente |
|---|---|---|
| Servicio de flexibilidad de demanda en Gran Bretaña, invierno 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 | Revisión de invierno de NESO, 2023 |
| Servicio de flexibilidad de demanda en Gran Bretaña, invierno 2023/24 | 2,6 millones de contadores (99% domésticos) a través de 48 proveedores; 14 pruebas y 2 eventos en vivo; más de 3,7 GWh entregados con un pico de más de 400 MW; gasto total de £11.9 millones; en las pruebas competitivas la oferta media aceptada cayó a £1,111 por MWh, con ofertas tan bajas como £150 | Informe de fin de año de NESO, 2024 |
| Respuesta a la demanda y centrales eléctricas virtuales en EE.UU. | Se estima que entre 30 y 60 GW de capacidad virtual de centrales eléctricas ya operan en los EE.UU., principalmente en programas de respuesta a la demanda utilizados unas pocas veces al año | US DOE, Vías hacia el despegue comercial: plantas de energía virtuales, 2023 |
| Potencial de EE.UU. para 2030 | Alrededor de 200 GW de flexibilidad de carga rentable, el 20% del pico, más de tres veces los 60 GW de respuesta a la demanda disponibles entonces, por valor de más de $15 mil millones al año en costos evitados | Brattle, 2019 |
| Objetivo de los EE.UU. | 80 a 160 GW de centrales eléctricas virtuales para 2030, del 10 al 20% de la demanda máxima, ahorrando alrededor de $10 mil millones anuales en costos de red | US DOE, 2023 |
El servicio de Gran Bretaña es el registro público más claro a gran escala hasta ahora. En dos inviernos pasó de ser una medida de emergencia a una herramienta rutinaria: el número de proveedores creció un 58%, las inscripciones alcanzaron los 2,6 millones de metros y una vez que los proveedores tuvieron que competir en pruebas el precio medio aceptado bajó a alrededor de £1.100 por MWh, frente a £3.000 en las pruebas del primer invierno. También muestra la escala: 400 MW en el pico es aproximadamente del tamaño de una gran unidad alimentada a gas, suministrada por millones de hogares, la mayoría de ellos actuando manualmente.
Lo que cuesta
La flexibilidad no se compra por kilovatios-hora como la producción de una central eléctrica. Se compra por el kilovatio de pico que elimina, al año, porque eso es lo que reemplaza: plantas y baterías construidas para estar listas durante unas pocas docenas de horas.
| Opción para cubrir un pico | Medida de costo | Fuente |
|---|---|---|
| Planta de pico de gas, nueva | $0.110 to $0.228 por kWh producido, funcionando solo en picos | Lazard LCOE+, 2024 |
| Pico de gas, batería a escala de servicio público y VPP residencial, 400 MW de fiabilidad para una utilidad modelada en EE. | El costo neto del VPP para la empresa de servicios públicos es aproximadamente el 40% del pico de gas y el 60% de las baterías. $43 million for gas, $29 millones para baterías y $2 millones para el VPP | Brattle, Confiabilidad real, 2023 |
| Reducción de la demanda doméstica de emergencia, Gran Bretaña | De 1.111 a 4.559 £ por MWh entregado, durante unas pocas horas en invierno | NESO, 2023 y 2024 |
| Solar en techo de un edificio, nuestro punto de referencia generacional | $0.19 per kWh central; commercial rooftop $0,09 a 0,20 dólares | Nuestro modelo de pared del ventilador; Lazard, 2026 |
De esa tabla se desprenden dos lecciones. En primer lugar, por kWh, las reducciones en el tiempo de pico parecen caras, pero una planta de pico también es costosa por kWh porque funciona tan raramente; por kW de confiabilidad, los hogares flexibles son la opción más barata en los estudios anteriores, y Brattle estima que un despliegue de 60 GW en EE. UU. Podría satisfacer las necesidades futuras de confiabilidad por $15 to $35 mil millones menos en diez años que las alternativas. En segundo lugar, la flexibilidad no compite con nuestro punto de referencia solar en el techo, lo completa. La energía solar produce más al mediodía; la flexibilidad mueve el uso a esas horas, lo que aumenta el valor de cada panel y reduce la necesidad de baterías.
Donde puede ganar, y donde no puede
Puede ganar:
- Redes con mucha energía solar, donde los precios del mediodía caen hacia cero y los picos de la noche son caros.
- Viviendas con calefacción eléctrica, depósitos de agua caliente sanitaria, bombas de calor o coches eléctricos, las cargas que almacenan energía por naturaleza.
- Redes locales cerca de sus límites, donde gestionar cuándo cargan los automóviles puede posponer nuevos cables y transformadores; el DOE de EE.UU. señala que estudios californianos encuentran que una carga más suave podría reducir la inversión en distribución para 2035 de hasta $50 billion to $15 a $20 mil millones.
- Negocios con procesos térmicos: cámaras frigoríficas, bombeo de agua, calefacción y refrigeración de grandes edificios.
No puede ganar:
- Períodos largos de calma y oscuridad. Las horas cambiantes no pueden cubrir una semana sin viento en invierno.
- Cargas que deben ejecutarse ahora: hospitales, iluminación, cocinar, la mayoría de la industria en horarios apretados.
- Sin medición y sin reglas justas. Donde los medidores se leen una vez al mes y las tarifas son planas, no hay nada a lo que responder y no hay forma de ser pagado.
Lo que está probado, plausible y especulativo
Probado: millones de hogares responderán a los eventos en horas pico cuando sean recompensados (Gran Bretaña, 2022 a 2024); los calentadores de agua, termostatos, cargadores y baterías pueden ser controlados remotamente a escala; las plantas de energía virtuales ya proporcionan decenas de gigavatios en los EE.UU.; el cambio de carga en horas excedentarias reduce la reducción y las emisiones cuando la planta marginal es fósil.
Plausible: que la flexibilidad automatizada del hogar puede ser tan confiable como una central eléctrica para la adecuación de los recursos (modelización de Brattle, todavía no una década de datos operativos); que la flexibilidad puede proporcionar entre 10 y 20% de la demanda máxima en 2030 en los EE.UU.; que la mayoría de los hogares con bombas de calor y automóviles eléctricos aceptarán el control automático si la anulación es fácil y los ahorros son visibles.
Especulativo: Todo el año, flexibilidad diaria desde la mayoría de los hogares sin fatiga; resultados justos para los hogares sin dispositivos flexibles; flexibilidad a gran escala sin nuevos riesgos de seguridad.
Preguntas de investigación abiertas
- ¿Cómo debería un Base de referencia ¿Cómo se puede estimar de manera justa y económica para un hogar, y cuánto error es aceptable?
- ¿Cuántos? Eventos por año ¿La gente lo aceptará, y cómo cambia eso con la automatización?
- ¿Cómo prevenimos? Picos de rebote sincronizados ¿Qué pasa cuando muchos dispositivos responden al mismo precio?
- ¿Cuál es el verdadero Flexibilidad térmica ¿Cuál es el consumo de energía de las casas comunes con bombas de calor, y cómo cambia con el aislamiento y la temperatura exterior?
- Which Diseños de tarifas ¿Compartir los beneficios de manera justa con las personas que no pueden cambiar?
- ¿Cómo puede ser la flexibilidad verificado ¿En redes locales, no solo en la red nacional?
Lo que necesitaría un prototipo de trabajo
Para mayor flexibilidad, un modelo de trabajo no es un dibujo de una aplicación. Es un desplazamiento medido de la carga real en dispositivos reales: kWh movido, kW de corte de pico, con un grupo de comparación, durante una temporada completa. El equipo es barato; el rigor es lo que cuesta.
| Fase | Trabajo | Decisión que permite | Costo aproximado | Tiempo |
|---|---|---|---|---|
| 0. Diseño | Elija la carga (por ejemplo, depósitos de agua caliente), la señal (precio, intensidad de carbono o evento de red), medición, consentimiento y un plan estadístico con un grupo de control | ¿Es el efecto lo suficientemente grande como para medir con las casas disponibles? | $5k to $15k | 1 a 2 meses |
| 1. Prueba de banco y en casa | Controladores en 5 a 10 dispositivos reales, medición cada media hora, registro de confort | ¿El dispositivo cambia de forma confiable y la gente lo anula? | $10k to $30k | 3 meses |
| 2. Modelo de trabajo | 50 a 200 hogares con un grupo de control emparejado para un invierno o verano, análisis independiente de kWh desplazados y kW cortados | Medición de flexibilidad por hogar, participación y satisfacción | $50k to $200k | 6 a 9 meses |
| 3. Mercado piloto | Inscribir los hogares agregados con un programa de proveedor u operador de red y recibir el pago por la flexibilidad proporcionada | Ingresos por hogar, costo por kW-año, ajuste con las reglas del mercado | $150k to $500k | 12 meses |
A quién necesitamos
- Ingenieros de sistemas eléctricos que saben cómo se despacha, mide y liquida la flexibilidad.
- Científicos de datos y estadísticos para las líneas de base, los grupos de control y la verificación.
- Científicos del comportamiento Diseñar ofertas que la gente entienda y siga usando.
- Ingenieros de seguridad embarcados Para controladores que son seguros, privados y funcionan sin conexión.
- Especialistas en calefacción, agua caliente y carga de vehículos eléctricos.
- Expertos en regulación y tarifas Quien puede abrir mercados a pequeñas cargas flexibles.
- Organizadores comunitarios y consejos locales que puedan contratar a los hogares de manera justa, incluidos aquellos con bajos ingresos.
¿Tiene una mejor idea?
Algunos miembros de la Fundación pueden tener contactos que podrían escuchar un pitch para una idea de energía fuerte. Para ser lanzada, una idea necesita un Modelo de trabajo, vida real, con sus resultados medidos en un instrumento, no reclamado. Para la flexibilidad, eso significa dispositivos reales en hogares o edificios reales, con kWh medidos desplazados y kW de corte de pico, en comparación con los hogares que no hicieron nada. Las ideas en papel también son bienvenidas: si la física y los números son sólidos, podemos publicarlas aquí en el sitio web. Pero recaudar capital sin un modelo de trabajo es muy difícil, y nada aquí es una promesa de financiamiento, retornos o introducciones.
Envíe su idea o sus resultados de prueba a través del Formulario de contribución: el problema que resuelve, la carga y la señal, el desplazamiento medido o estimado, un coste aproximado por kilovatio o por vivienda, y la prueba más barata que podría demostrar que está equivocada. Para otras direcciones, ver las alternativas de energía comparadas.
Fuentes
- El Grupo Brattle (junio de 2019). El potencial nacional de flexibilidad de carga: valor y potencial de mercado hasta 2030.
- Hledik, R. y Peters, K., El Grupo Brattle (mayo de 2023). Fiabilidad real: el valor de la potencia virtual, preparado para Google.
- Departamento de Energía de EE.UU. (septiembre 2023). Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants (en inglés).
- Operador Nacional del Sistema Energético (antes ESO) (agosto de 2023). Revisión del Servicio de Flexibilidad de la Demanda para el invierno 2022/23.
- Operador Nacional del Sistema Energético (2024). Informe de fin de año del Servicio de Flexibilidad de la Demanda invierno 2023/24; descripción general del servicio.
- California ISO (2016). Lo que la curva del pato nos dice sobre el manejo de una red verde.
- Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. y Salpakari, J. (2015). Revisión de las medidas de flexibilidad del sistema energético para permitir altos niveles de electricidad renovable variable. Reseñas de Energía Renovable y Sostenible 45, 785-807.
- Albadi, M.H. y El-Saadany, E.F. (2008). Resumen de la respuesta a la demanda en los mercados eléctricos. Revista de Sistemas de Energía Eléctrica 78, 1989-1996.
- Lazard (junio de 2024). Coste de Energía Nivelado+, versión 17: pico de gas $110 to $228 por MWh. La edición de junio de 2026 da la gama solar comercial en el techo utilizada como nuestro punto de referencia.
- Local Solar System Fundación. The Fan Wall: investigación de viento abierto, para el punto de referencia solar en techo de $ 0.19 por kWh.