Kysynnän joustavuus

Jokaisen sähköverkon on sovitettava tarjonta ja kysyntä toisiinsa joka sekunti. Vuosisadan ajan se tehtiin säätelemällä tarjontaa: hiili-, kaasu- ja vesivoimalat seurasivat sitä, mitä ihmiset päättivät kytkeä päälle. Tuuli- ja aurinkoenergialle ei voida sanoa, milloin ne tuottavat, joten puhtaan sähköverkon on saatava myös yhtälön toinen puoli liikkumaan. Kysynnän joustavuus tarkoittaa sitä, että voimme muuttaa milloin käytämme sähköä ja joskus myös sen määrää hintojen, signaalien tai automaattisen ohjauksen mukaan luopumatta haluamastamme palvelusta: kuumaa vettä, lämmintä kotia, ladattua autoa, puhtaita astioita.

Se on ainoa energiavaihtoehto listallamme, joka ei tuota lainkaan energiaa. Juuri siksi sillä on merkitystä. **Kilowattitunti, joka siirtyy iltaruuhkasta aurinkoiseen iltapäivään, voi korvata kaasuvoimalan tuotannon ja pelastaa aurinkoenergiaa, joka muuten heitetään pois. Tämä kaikki säätimen hintaan ja kohtuulliseen tariffiin. Se toimii jo miljoonien kotitalouksien mittakaavassa. Sen rajat ovat luottamus, mittaus ja osallistujien kärsivällisyys, ei fysiikka. **

Mitä se on

Kysyntäjoustavuus kattaa kaiken sen, mikä antaa sähkön käytön seurata tarjontaa eikä päinvastoin. Insinöörit ryhmitellään neljään tyyppiin:

• Shift: siirtää käytön toiseen tuntiin muuttamatta kokonaisaikaa. Lämmitä kuumavesisäiliö keskipäivällä, lataa auto yön yli, käynnistä astianpesukone, kun tuuli on kova.
• Vaja: vähennä käyttöä lyhyeksi ajaksi ja hyväksy hieman vähemmän palvelua, esimerkiksi termostaatti yhden asteen alhaisempi tunnin ajan talven huippuhetkellä.
• Muoto: päivittäisen käyttäytymisen muuttaminen tariffeilla, jotka tekevät joistakin tunneista halvempia kuin muista, kuten käyttöajan tai puolen tunnin hinnoilla.
• Shimmy.: Nopeat, pienet säädöt sekunneissa tai minuuteissa, jotka auttavat pitämään verkon taajuuden vakaana, mitä vedenlämmittimet, akut ja autolaturit voivat tehdä kenenkään huomaamatta.

Kun tuhansia tällaisia laitteita koordinoidaan ohjelmistolla ja tarjotaan verkkoon yhtenä resurssina, tulosta kutsutaan virtuaaliseksi voimalaksi: se käyttäytyy kuin huippuvoimalaitos, paitsi että se on tehty kodeista. Kentän arvioinneissa kuvataan koko työkalustoa ja sitä, miten joustavuus täydentää varastointia ja vahvempia verkkoja (Lund et al., 2015; Albadi and El-Saadany, 2008).

Näin se toimii

Ankankäyrä. Aurinkoisena kevätpäivänä alueella, jossa on paljon aurinkoa, kysyntä, jota muiden kasvien on täytettävä, eli nettokuorma, laskee keskellä päivää ja nousee sitten jyrkästi illalla, kun aurinko laskee ja ihmiset tulevat kotiin. Päivän aikana piirrettynä käyrä näyttää ankalta, jonka muodon Kalifornian grid-operaattori teki kuuluisaksi (CAISO, 2016). Jyrkät ilta- ja huippuajat ovat kalleimpia tunteja palvella; keskipäivän vatsa tarkoittaa, että aurinkovoimalat kytketään pois päältä tai niitä rajoitetaan kysynnän puutteen vuoksi.


Yksinkertainen aritmetiikka. Kolme lukua kuvaavat, mitä joustavuus tekee, ja yllä oleva selitys laskee ne havainnollistavalle kaupunkikokoiselle ruudulle.

• Peak net load, suurin kuilu kysynnän ja tuulivoiman sekä aurinkoenergian välillä. Siinä määrätään, kuinka monta kaasulaitetta, akkua tai tuontilaitetta on pidettävä valmiina. Liikkuu kuormitus ulos illalla laskee sitä.
• Curtailment, tuotettu mutta käyttämätön puhdas energia. Kuorman siirtäminen aurinkoisiin tunteihin käyttää sitä.
• Hiiliintensiteetti, keskimääräiset päästöt kulutettua kWh:ta kohti. 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.

Esimerkiksi kuvaavassa päivässä neljän kuorman siirtäminen, jotka yhdessä käyttävät 300 MWh päivässä eli noin seitsemännosan kaupungin kysynnästä, vähentää kaasulla katettavaa iltahuippua noin 112 MW:sta 61 MW:iin, vähentää aurinko- ja tuulivoiman käyttöä noin 580 MWh:sta 380 MWh:iin ja alentaa hiilidioksidiintensiteettiä noin 130 g:sta 90 g/kWh:iin. Käytetty energia on täsmälleen sama. Muodot ovat havainnollisia, mutta mekanismi on se, johon verkon operaattorit luottavat.


Miksi jotkut kuormat ovat ihanteellisia. Hyvä joustava kuorma varastoi energiaa tai on löysä aikataulussaan:


• Vedenlämmittimet 200 litran säiliöön, jonka lämpötila on 40 °C, mahtuu noin 9 kWh. Lämmittäminen keskipäivällä eikä aamunkoitteessa ei muuta mitään suihkun suhteen.
• Sähköautojen markkinointi Auto pysyy pysäköitynä suurimmaksi osaksi päivää, ja tyypillinen päivittäinen 30–50 km:n ajomatka tarvitsee vain noin 5–10 kWh. Kymmenen tuntia pistorasiaan kytketty auto tarvitsee lataamista yhdelle tai kahdelle niistä, ja se voi valita kumpi.
• Lämpöpumput ja -laitteet Hyvin eristetyssä talossa voi esilämmittää talon iltapäivällä ja kulkea iltaruuhka-aikaan rakennuksen oman massan varastoinnin avulla.
• Astianpesukoneet, pyykinpesukoneet ja kuivausrummut Tarvitsen loppuajan, en aloitusaikaa.

Hallinnointi, ei tahdonvoimaa. Ihmisten pyytäminen katsomaan ruudukkoa ei kestä. Mittatut menestystarinat yhdistävät selkeän hinnan tai palkkion automaatioon: älykäs termostaatti, laturi tai vedenlämmittimen ohjain, joka seuraa signaalia ja jonka ohitus on helppoa. Britannian kysynnän joustavuuspalvelussa yli 99% osallistujista vastasi talvella 2023/24 edelleen käsin (NESO, 2024), mikä on vaikuttava kansalaisaktiivisuus ja myös syy siihen, miksi automaatiolla on merkitystä: kädet väsyvät, ohjaimet eivät.

Rajat: teoreettinen ja käytännöllinen

Mitä fysiikka rajoittaa. Joustavuutta rajoittaa varastointi palvelussa: kuinka monta tuntia säiliö pysyy lämpimänä, kuinka kauan talo pysyy lämpimänä, kuinka paljon auto tarvitsee aamulla. Se voi siirtää energiaa tuntien ajan, joskus päivän, mutta ei kesästä talveen. Se ei myöskään korvaa viikon tyyntä ja pilvistä säätä: se vaatii varastointia, vakaata tuotantoa tai tuontia.

Mitä ihmiset ja markkinat rajoittavat:

• Osallistuminen ja väsymys. Vapaaehtoiset tapahtumat toimivat hyvin muutaman kerran talvella. Päivittäiset pyynnöt ilman automaatiota menettävät ihmisiä.
• Perusongelma. Jotta voisit maksaa jollekin vähemmän käyttämisestä, sinun täytyy arvioida, mitä hän olisi muuten käyttänyt. Peruslinjat voivat olla pelattuja, ja niitä on vaikea varmentaa yhden kotitalouden osalta.
• Rebound ja uudet huiput. Yhden tunnin kuormitus siirtyy toiseen. Jos tuhannet laturit käynnistyvät samaan aikaan, kun halpa kausi alkaa, ne voivat luoda uuden huipun paikallisiin kaapeleihin. Hyvät järjestelmät ovat epätasaisia ja satunnaisia.
• Reiluus. Kotitaloudet, joilla on autoja, lämpöpumppuja ja älykkäitä mittareita voivat hyötyä joustavuudesta; ne, joilla niitä ei ole, eivät voi. Hinnoilla ei saa rangaista niitä, jotka eivät voi muuttaa, kuten esimerkiksi kotona hoitavia.
• Yksityisyys ja kyberturvallisuus. Järjestelmä, joka pystyy kytkemään miljoona laitetta on tavoite. Standardit, salaus ja paikalliset varmuuskopiot ovat olennaisia.
• Mittaus ja selvitys. Ilman puolen tunnin mittareita ja joustavuudesta maksavia markkinasääntöjä edes halukkaita kotitalouksia ei voida palkita.


Todelliset projektit, mitattu

Ohjelma	Mitä mitattiin	Lähde
Ison-Britannian kysynnän joustopalvelu, talvi 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 talvikatsaus, 2023
Ison-Britannian kysynnän joustopalvelu, talvi 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	NESO:n loppuraportti, 2024
Yhdysvaltain kysyntäjousto ja virtuaaliset voimalaitokset	Yhdysvalloissa on jo käytössä arviolta 30–60 GW virtuaalista voimalaitoskapasiteettia, pääasiassa kysyntäjousto-ohjelmissa, joita käytetään muutaman kerran vuodessa.	US DOE, Polkuja kaupalliseen lentoonlähtöön: virtuaaliset voimalat, 2023
Yhdysvaltain potentiaali vuoteen 2030 mennessä	Noin 200 GW kustannustehokasta kuorman joustavuutta, 20 % huippukuormasta, yli kolme kertaa enemmän kuin silloin käytettävissä ollut 60 GW kysyntäjoustoa, arvoltaan yli 15 miljardia dollaria vuodessa vältettyinä kustannuksina	Brattle, 2019
Yhdysvaltain tavoite	80–160 GW virtuaalisia voimalaitoksia vuoteen 2030 mennessä, mikä vastaa 10–20 %:ia huippukysynnästä ja säästää noin 10 miljardia dollaria vuodessa sähköverkon kustannuksissa	Yhdysvaltain energiaministeriö, 2023

Britannian palvelu on tähän mennessä selkein laajamittainen julkinen rekisteri. In two winters it went from an emergency measure to a routine tool: the number of providers grew by 58%, sign-ups reached 2.6 million meters, and once providers had to compete in tests the average accepted price fell to about £1,100 per MWh, against £3,000 in the first winter’s tests. Se osoittaa myös mittakaavan: 400 MW huipputehoa on suunnilleen yhtä suuri kuin yksi suuri kaasukäyttöinen yksikkö, jonka toimittavat miljoonat kotitaloudet, joista useimmat toimivat käsin.

Mitä se maksaa

Joustavuutta ei voi ostaa kilowattitutulla, kuten voimalaitoksen tuotantoa. Se ostetaan sen mukaan, kuinka monta kilowattia se poistaa vuodessa huippusähköstä, koska juuri sitä se korvaa: voimalaitokset ja akut on rakennettu olemaan valmiina muutaman kymmenen tunnin ajan.

Mahdollisuus kattaa huippu	Kustannusindikaattori	Lähde
Kaasuhuippulaitos, uusi	$0.110 to $0,228 per tuotettu kWh, toimii vain huippuhetkillä	Lazard LCOE+, 2024
Kaasuhuippu, sähkönmyynnin mittakaavan akku ja asuinrakennusten VPP, 400 MW luotettavuutta mallinnetulle Yhdysvaltain energiayhtiölle	VPP:n nettokustannukset sähköyhtiölle ovat noin 40% kaasun huippukulutuksesta ja 60% akun kulutuksesta, kun päästöt ja joustavuus lasketaan mukaan. $43 million for gas, $29 miljoonaa akkuja ja 2 miljoonaa dollaria VPP:tä varten	Brattle, Todellinen luotettavuus, 2023
Kotitalouksien hätäkysyntä, Iso-Britannia	£1,111 to £4,559 per MWh delivered, for a few hours a winter	NESO, 2023 ja 2024
Aurinkokennokatto rakennuksessa, sukupolvemme vertailuarvo	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0,09 - 0,20 dollaria	Meidän Fan Wall malli; Lazard, 2026

Tästä taulukosta voidaan ottaa kaksi oppia. Ensinnäkin, kWh:ta kohti huippuajan vähennykset näyttävät kalliilta, mutta huippuvoimalaitos on myös kallis kWh:ta kohti, koska se toimii niin harvoin; kW:n luotettavuudessa joustavat kodit ovat edellä mainituissa tutkimuksissa halvin vaihtoehto, ja Brattle arvioi, että Yhdysvaltojen 60 GW: n käyttöönotto voisi täyttää tulevat luotettavuustarpeet $15 to $35 miljardilla vähemmän kymmenen vuoden aikana kuin vaihtoehdot. Toiseksi joustavuus ei kilpaile kattoaurinkopaneelien vertailuarvomme kanssa, vaan täydentää sitä. Aurinko tuottaa eniten keskipäivällä; joustavuus siirtää käytön näihin tunteihin, mikä nostaa jokaisen paneelin arvoa ja vähentää paristojen tarvetta.

Missä se voi voittaa ja missä ei

Se voi voittaa:

• Ruudut, joissa on paljon aurinkoa, joissa keskipäivän hinnat laskevat nollaan ja iltahuiput ovat kalliita.
• Kodit, joissa on sähkölämmitys, kuumavesisäiliöt, lämpöpumput tai sähköautot, kuormat, jotka varastoivat energiaa luonnostaan.
• Paikallisverkot lähellä rajojaan, jossa autojen latauksen hallinta voi lykätä uusien kaapeleiden ja muuntajien käyttöä; Yhdysvaltain energiaministeriö toteaa Kalifornian tutkimusten osoittavan, että sujuvampi lataus voisi vähentää jakeluliiketoimintaa vuoteen 2035 mennessä jopa $50 billion to $15-20 miljardia dollaria.
• Lämpöprosesseja harjoittavat yritykset: kylmävarastot, veden pumppaus, suurten rakennusten lämmitys ja jäähdytys.

Se ei voi voittaa:

• Pitkät tyynet, pimeät jaksot. Siirtyvät ajat eivät voi kattaa tuuletonta viikkoa talvella.
• Kuormat, jotka on ajettava nyt: sairaalat, valaistus, ruoanlaitto, useimmat teollisuuden tiukkojen aikataulujen.
• Ilman mittausta ja oikeudenmukaisia sääntöjä. Kun mittarit luetaan kerran kuukaudessa ja hinnat ovat tasaiset, ei ole mitään mihin vastata eikä keinoa saada maksua.

Mikä on todistettu, uskottava ja spekulatiivinen

Todistetut: Miljoonat kotitaloudet reagoivat ruuhka-aikoihin, kun ne palkitaan (Iso-Britannia, 2022–2024); vedenlämmittimiä, termostaatteja, latureita ja akkuja voidaan ohjata etänä mittakaavassa; virtuaaliset voimalat tuottavat jo kymmeniä gigawatteja Yhdysvalloissa; kuormituksen siirtäminen ylimääräisiin tunteihin vähentää katkaisuja ja päästöjä, kun marginaalilaitos on fossiilinen.

Todennäköinen: että automatisoitu kodin joustavuus voi olla yhtä luotettava kuin voimalaitos resurssien riittävyyden kannalta (Brattlen mallintamisen mukaan, ei vielä vuosikymmenen käyttötietoja); että joustavuus voi tarjota 10–20 % huippukuormasta vuoteen 2030 mennessä Yhdysvalloissa; että useimmat lämpöpumppuja ja sähköautoja käyttävät kotitaloudet hyväksyvät automaattisen ohjauksen, jos ohitus on helppoa ja säästöt näkyvät.

Spekulatiivinen: Vuoden ympäri, päivittäinen joustavuus useimmista kodeista ilman väsymystä; oikeudenmukaiset tulokset kotitalouksille ilman joustavia laitteita; laajamittainen joustavuus ilman uusia turvallisuusriskejä.

Avoimet tutkimuskysymykset

• Miten peruslinja olisi arvioitava oikeudenmukaisesti ja edullisesti kotitaloudelle, ja kuinka suuri virhe on hyväksyttävä?
• How many events per year will people accept, and how does automation change that?
• Miten ehkäisemme Synkronoitu rebound huiput Mitä tapahtuu, kun monet laitteet vastaavat samaan hintaan?
• Mikä on todellinen Erinomainen lämpöjoustavuus Mikä on lämpöpumpulla varustettujen tavallisten kotien energiankulutus ja miten se muuttuu eristyksen ja ulkolämpötilan mukaan?
• Mitkä tariffimallit jakavat edut oikeudenmukaisesti ihmisille, jotka eivät voi siirtyä?
• Miten joustavuutta voidaan todentaa paikallisissa verkoissa, ei vain valtakunnallisessa verkossa?

Mitä toimiva prototyyppi tarvitsee

Joustavuuden vuoksi työskentelymallia ei voida pitää sovelluksen piirroksena. Se on todellisen kuormituksen mitattu siirtymä todellisiin laitteisiin: kWh liikkuu, kW huippuleikkausta, vertailuryhmän kanssa, koko kauden ajan. Laitteet ovat halpoja, mutta kurinalaisuus on se, mikä maksaa.

Vaihe	Työ	Päätös, jonka se mahdollistaa	Karkea kustannus	Aika
0. Suunnittelu	Valitse kuormittaja (esim. lämminvesivaraajat), signaali (hinta, hiili-intensiteetti tai verkkotapahtuma), mittaus, suostumus ja tilastollinen suunnitelma verrokkiryhmän kanssa	Onko vaikutus tarpeeksi suuri, jotta sitä voitaisiin mitata käytettävissä olevien asuntojen perusteella?	$5k to $15k	1-2 kuukautta
1. Penkki- ja kotitestaus	Säätimet 5–10 todellisessa laitteessa, puolen tunnin mittaus, mukavuusloki	Vaihtaako laite luotettavasti ja ohittavatko ihmiset sen?	$10k to $30k	3 kuukautta
2. Työskentelymalli	50–200 kotia ja niihin sopiva vertailuryhmä yhden talven tai kesän ajan, riippumaton analyysi siirretyistä kWh:ista ja katkaistuista kW:ista	Mitattu joustavuus kotikohtaisesti, osallistuminen ja tyytyväisyys	$50k to $200k	6–9 kuukautta
3. Markkinapilotti	Rekisteröi yhdistetyt kodit toimittajan tai verkon operaattorin ohjelmaan ja saat maksun tarjotusta joustavuudesta	Tulot kotitaloutta kohti, kustannukset kW-vuotta kohden, markkinaehtoiset	$150k to $500k	12 kuukautta


Keitä tarvitsemme

• Power-systems engineers jotka tietävät miten joustavuutta lähetetään, mitataan ja tasoitellaan.
• Datatieteilijät ja tilastotieteilijät Perus- ja vertailuryhmien sekä verifioinnin tiedot.
• Käyttäytymistieteilijät suunnittelevat tarjouksia, joita ihmiset ymmärtävät ja käyttävät edelleen.
• Sulautettujen järjestelmien ja tietoturvan insinöörit Tarvitset ohjaimia, jotka ovat turvallisia, yksityisiä ja toimivat offline-tilassa.
• Lämmityksen, kuuman käyttöveden ja sähköautojen latauksen asiantuntijat.
• Sääntely- ja tariffiasiantuntijat Jotka voivat avata markkinat pienille joustaville kuormille.
• Yhteisöjärjestäjät ja paikallisneuvostot jotka voivat rekrytoida kotitalouksia oikeudenmukaisesti, myös pienituloisia.

Onko sinulla parempi idea?

Joillakin säätiön jäsenillä saattaa olla kontakteja, jotka voisivat kuulla voimakkaan energia-alan idean. Jotta idea voidaan esittää, se tarvitsee Työskentelevä, tosielämän malli, jonka tulokset on mitattu instrumentilla, jota ei ole väitetty. Joustavuus tarkoittaa todellisia laitteita oikeissa kodeissa tai rakennuksissa, joissa mitattu kWh on siirtynyt ja kW huippua leikattu verrattuna koteihin, jotka eivät tehneet mitään. Paperi-ideat ovat myös tervetulleita: jos fysiikka ja numerot ovat kiinteitä, voimme julkaista ne täällä verkkosivuilla. Pääoman hankkiminen ilman toimivaa mallia on kuitenkin hyvin vaikeaa, eikä mikään tässä ole lupaus rahoituksesta, tuotoista tai esittelyistä.

Lähetä ideasi tai kokeilutuloksesi osallistumislomakkeen kautta: ongelma, jonka se ratkaisee, kuormitus ja signaali, mitattu tai arvioitu siirtymä, karkeat kustannukset kW:ta tai kotitaloutta kohden sekä halvin testi, joka voisi osoittaa sen vääräksi. Muita suuntia, katso energiavaihtoehtoja vertailtu.

Lähteet

1. The Brattle Group (kesäkuu 2019). Kuormajoustavuuden kansallinen potentiaali: arvo ja markkinapotentiaali vuoteen 2030 mennessä.
2. Hledik, R. and Peters, K., The Brattle Group (toukokuu 2023). Todellinen luotettavuus: virtuaalisen tehon arvo, valmistettu Googlelle.
3. Yhdysvaltain energiaministeriö (syyskuu 2023). Virtuaalivoimalaitokset ovat erittäin tehokkaita ja luotettavia.
4. Kansallinen energiajärjestelmän operaattori (entinen ESO) (elokuu 2023). Kysynnänjoustavuuspalvelun talvikatsaus 2022/23.
5. Valtakunnallinen energiaverkko-operaattori (2024). Kysynnänjoustavuuspalvelun talven 2023/24 loppuraportti; palvelun yleiskatsaus.
6. Kalifornia ISO (2016). Mitä ankkakäyrä kertoo meille vihreän verkon hallinnoinnista.
7. Lindgren, J., Salpakari, J., Mikkola, J. and Lund, P.D. (2015). Energiajärjestelmän joustavuutta lisäävien toimenpiteiden tarkistaminen, jotta voidaan mahdollistaa vaihtelevan uusiutuvan sähkön suuri osuus. Uusiutuva ja kestävä energia Review 45, 785-807.
8. Al-Albadi, M.H. ja El-Saadany, E.F. (2008). Yhteenveto kysyntäjoustosta sähkömarkkinoilla. Sähkövoimajärjestelmät 78, 1989-1996.
9. Lazard (kesäkuu 2024). Levelized Cost of Energy+, versio 17: kaasun huippu $110 to $228. painos. Kesäkuun 2026 painos antaa kaupallisen katto-aurinkosähkön valikoiman, jota käytetään vertailuarvonamme.
10. Local Solar System Säätiö. The Fan Wall: open wind research, kattoaurinkovertailun hinta on 0,19 dollaria per kWh.