Flexibilité de la demande

Chaque réseau électrique doit faire correspondre l’offre et la demande à chaque seconde. Pendant un siècle, cela s’est fait en ajustant l’offre : les centrales au charbon, au gaz et hydroélectriques ont suivi ce que les gens ont choisi d’allumer. On ne peut pas dire quand l’éolien et le solaire vont produire, donc un réseau propre a besoin que l’autre moitié de l’équation bouge aussi. La flexibilité de la demande signifie changer quand nous utilisons l’électricité, et parfois combien, en réponse aux prix, aux signaux ou au contrôle automatique, sans renoncer au service que nous voulons : eau chaude, maison chauffée, voiture chargée, vaisselle propre.

C’est la seule alternative énergétique de notre liste qui ne produit aucune énergie. Un kilowattheure déplacé de la période de pointe du soir à une après-midi ensoleillée peut remplacer la production d’une centrale à gaz et sauver l’énergie solaire qui serait autrement jetée, pour le prix d’un contrôleur et un tarif équitable. Il fonctionne déjà à l’échelle de millions de foyers. Ses limites sont la confiance, la mesure et la patience des personnes invitées à participer, pas la physique.

Ce qu’il est

La flexibilité de la demande couvre tout ce qui permet à l’utilisation d’électricité de suivre l’offre plutôt que l’inverse. Les ingénieurs le regroupent en quatre types:

• Shift: déplace l’utilisation vers une autre heure sans changer le total. Chauffer un réservoir d’eau chaude à midi, charger une voiture pendant la nuit, faire fonctionner le lave-vaisselle quand il y a du vent.
• Remise : réduire l’utilisation pendant une courte période et accepter un peu moins de service, par exemple un thermostat d’un degré plus bas pendant une heure lors d’une pointe hivernale.
• Forme: modifier le schéma quotidien par des tarifs qui rendent certaines heures moins chères que d’autres, comme les prix horaires ou demi-horaires.
• Shimmy: petits ajustements rapides en quelques secondes ou minutes qui aident à maintenir la fréquence du réseau stable, ce que les chauffe-eau, les batteries et les chargeurs de voiture peuvent faire sans que personne ne s’en aperçoive.

Lorsque des milliers de ces appareils sont coordonnés par un logiciel et offerts au réseau comme une ressource unique, le résultat est appelé une centrale électrique virtuelle: elle se comporte comme une centrale électrique à son pic, sauf qu’elle est faite de maisons. Les examens du domaine décrivent la boîte à outils complète et comment la flexibilité complète le stockage et des réseaux plus solides (Lund et al., 2015; Albadi et El-Saadany, 2008).

Comment ça marche

La courbe du canard. Par une journée de printemps ensoleillée dans une région où il y a beaucoup d’énergie solaire, la demande que les autres usines doivent satisfaire, appelée charge nette, diminue au milieu de la journée et augmente fortement le soir lorsque le soleil se couche et que les gens rentrent chez eux. Tracée sur une journée, la courbe ressemble à un canard, forme rendue célèbre par l’opérateur de grille californien (CAISO, 2016). La montée en puissance et les heures de pointe du soir sont les heures les plus coûteuses à servir; le ventre de midi signifie que les parcs solaires sont éteints, ou réduits, par manque de demande.

L’arithmétique simple. Trois nombres décrivent ce que fait la flexibilité, et l’explicateur ci-dessus les calcule pour une grille de taille d’une ville.

• Charge nette de pointe, le plus grand écart entre la demande et l’éolien plus solaire. Il fixe le nombre d’installations de gaz, de batteries ou d’importations qui doivent être mises en service. Déplacer la charge hors de la soirée l’abaisse.
• Curtailment, l’énergie propre produite mais non utilisée. Déplacer la charge dans les heures ensoleillées l’utilise.
• Intensité carbone, les émissions moyennes par kWh consommé. Si l’écart est comblé par du gaz à environ 450 g de CO2 par kWh, chaque kWh déplacé de l’écart vers le surplus permet d’économiser environ 450 g.

Dans la journée illustrée, le déplacement de quatre charges qui consomment ensemble 300 MWh par jour, soit environ un septième de la demande de la ville, réduit la crête nocturne que le gaz doit couvrir d’environ 112 MW à 61 MW, réduit l’énergie solaire et éolienne restreinte d’environ 580 à 380 MWh et abaisse l’intensité carbone d’environ 130 à 90 g par kWh. L’énergie utilisée est exactement la même. Les formes sont illustratives, mais le mécanisme est celui sur lequel les opérateurs de réseaux s’appuient.

Pourquoi certaines charges sont idéales. Une bonne charge flexible stocke de l’énergie ou a un jeu dans son horaire:

• Chauffe-eau électriques Les batteries thermiques: un réservoir de 200 litres chauffé à 40 °C contient environ 9 kWh. Le chauffage à midi au lieu de l’aube ne change rien pour la douche.
• Les voitures électriques La plupart des voitures électriques restent stationnaires la majeure partie de la journée et une conduite quotidienne typique de 30 à 50 km ne nécessite que 5 à 10 kWh. Une voiture branchée pendant dix heures doit se charger pour un ou deux d’entre eux, et elle peut choisir lequel.
• Pompes à chaleur Dans une maison bien isolée, on peut préchauffer la maison l’après-midi et traverser les heures de pointe du soir avec la masse propre du bâtiment comme stockage.
• Lave-vaisselle, lave-linge et sèche-linge J’ai besoin d’une heure de fin, pas une heure de début.

Contrôle, pas de volonté. Demander aux gens de regarder la grille ne dure pas. Les réussites mesurées combinent un prix ou une récompense clairs avec l’automatisation : un thermostat intelligent, un chargeur ou un contrôleur de chauffe-eau qui suit le signal, avec une compensation facile. Dans le service de flexibilité de la demande britannique, plus de 99% des participants à l’hiver 2023/24 ont toujours répondu manuellement (NESO, 2024), ce qui est un engagement civique impressionnant et aussi la raison pour laquelle l’automatisation compte: les mains se fatiguent, les contrôleurs ne le font pas.

Les limites: théoriques et pratiques

Ce que la physique limite. La flexibilité est limitée par le stockage dans le service: combien d’heures un réservoir reste chaud, combien de temps une maison reste chaude, combien une voiture a besoin au matin. Il peut déplacer l’énergie par heures, parfois par jour, mais pas de l’été à l’hiver. Elle ne peut pas non plus compenser une semaine de temps calme et nuageux : cela nécessite du stockage, une production ferme ou des importations.

Ce que les gens et les marchés limitent:

• Participation et fatigue. Les événements bénévoles fonctionnent bien quelques fois par hiver. Les demandes quotidiennes sans automatisation perdent des personnes.
• Le problème de base. Pour payer quelqu’un pour utiliser moins, vous devez estimer ce qu’il aurait utilisé autrement. Les niveaux de référence peuvent être modifiés et ils sont difficiles à vérifier pour un seul ménage.
• Rebond et nouveaux pics. La charge déplacée d’une heure atterrit dans une autre. Si des milliers de chargeurs démarrent au même moment qu’une période bon marché commence, ils peuvent créer un nouveau pic sur les câbles locaux. Les bons schémas sont échelonnés et aléatoires.
• L ’ équité. Les ménages avec des voitures, des pompes à chaleur et des compteurs intelligents peuvent tirer profit de la flexibilité; ceux qui n’en ont pas ne le peuvent pas. Les tarifs ne doivent pas pénaliser les personnes qui ne peuvent pas se déplacer, comme celles qui s’occupent de quelqu’un à la maison.
• Vie privée et cybersécurité. Un système capable de commuter un million d’appareils est une cible. Les normes, le chiffrement et les solutions de secours locales sont essentiels.
• Comptage et règlement. Sans compteurs à la demi-heure et sans règles du marché qui récompensent la flexibilité, même les ménages désireux ne peuvent être récompensés.

Projets réels, mesurés

Programme	Ce qui a été mesuré	Source
Service de flexibilité à la demande en Grande-Bretagne, hiver 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	Revue d’hiver de NESO, 2023
Service de flexibilité de la demande en Grande-Bretagne, hiver 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	Rapport de fin d’année NESO, 2024
Réponse à la demande et centrales électriques virtuelles aux États-Unis	On estime que 30 à 60 GW de capacité de centrales électriques virtuelles sont déjà en exploitation aux États-Unis, principalement dans le cadre de programmes de réponse à la demande utilisés quelques fois par an.	US DOE, Voies vers le décollage commercial: centrales électriques virtuelles, 2023
Potentiel américain d’ici 2030	Environ 200 GW de flexibilité de charge rentable, 20 % des pics, plus de trois fois les 60 GW de réponse à la demande alors disponibles, d’une valeur supérieure à 15 milliards de dollars par an en coûts évités	Brattle, 2019
Cible américaine	80 à 160 GW de centrales électriques virtuelles d’ici 2030, soit 10 à 20 % de la demande de pointe, ce qui permettrait d’économiser de l’ordre de 10 milliards de dollars par an en coûts de réseau	US DOE, 2023

Le service britannique est le plus clair des enregistrements publics à grande échelle jusqu’à présent. 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. Il montre aussi l’échelle : 400 MW au pic est à peu près la taille d’une grande unité de chauffage au gaz, fournie par des millions de foyers, dont la plupart agissent à la main.

Ce que ça coûte

La flexibilité ne s’achète pas au kilowattheure comme la production d’une centrale électrique. Elle est achetée au kilowatt de pic qu’elle élimine, par an, car c’est ce qu’elle remplace : des centrales et des batteries construites pour rester prêtes pendant quelques dizaines d’heures.

Option pour couvrir un pic	Mesure des coûts	Source
Installation de crête de gaz, nouvelle	$0.110 to $0,228 par kWh produit, fonctionnant uniquement aux pics	Lazard LCOE+, 2024
Pic de gaz, batterie à l’échelle des services publics et VPP résidentiel, 400 MW de fiabilité pour un service public américain modélisé	Le coût net du VPP pour le service public est d’environ 40% de celui des pics de consommation de gaz et de 60% de celui des batteries. $43 million for gas, $29 millions pour les batteries et 2 millions de dollars pour le PPV	Brattle, Fiabilité réelle, 2023
Réduction d’urgence de la demande des ménages, Grande-Bretagne	£1,111 to £4,559 per MWh delivered, for a few hours a winter	NESO, 2023 et 2024
Le solaire sur toit d’un bâtiment, notre référence de génération	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0,09 à 0,20 dollar	Notre modèle Fan Wall; Lazard, 2026

Deux leçons ressortent de ce tableau. Tout d’abord, par kWh, les réductions aux heures de pointe semblent coûteuses, mais une centrale de pic est également coûteuse par kWh parce qu’elle fonctionne si rarement; par kW de fiabilité, les maisons flexibles sont l’option la moins chère dans les études ci-dessus, et Brattle estime qu’un déploiement de 60 GW aux États-Unis pourrait répondre aux besoins futurs en matière de fiabilité pour $15 to $35 milliards de dollars de moins sur dix ans que les alternatives. Deuxièmement, la flexibilité ne fait pas concurrence à notre référence solaire sur toit, elle la complète. L’énergie solaire produit le plus à midi; la flexibilité déplace l’utilisation vers ces heures, ce qui augmente la valeur de chaque panneau et réduit le besoin en batteries.

Où il peut gagner, et où il ne peut pas

Il peut gagner:

• Des réseaux avec beaucoup de solaire, où les prix de midi chutent vers zéro et les pics du soir sont chers.
• Les maisons avec chauffage électrique, réservoirs d’eau chaude, pompes à chaleur ou voitures électriques, les charges qui stockent l’énergie par nature.
• Les réseaux locaux à la limite, où la gestion du moment de charge des voitures peut reporter l’installation de nouveaux câbles et transformateurs; le DOE américain note que des études californiennes ont révélé qu’une recharge plus fluide pourrait réduire les investissements dans la distribution d’ici à 2035 de jusqu’à $50 billion to $15 à 20 milliards de dollars.
• Entreprises avec des processus thermiques: chambres froides, pompage d’eau, chauffage et refroidissement de grands bâtiments.

Il ne peut pas gagner:

• Longues périodes de calme et d’obscurité. Les heures décalées ne peuvent pas couvrir une semaine sans vent en hiver.
• Charges qui doivent fonctionner maintenant: hôpitaux, éclairage, cuisine, la plupart des industries sur des horaires serrés.
• Sans comptage et sans règles équitables. Là où les compteurs sont lus une fois par mois et où les tarifs sont fixes, il n’y a rien à répondre et aucun moyen d’être payé.

Ce qui est prouvé, plausible et spéculatif

Éprouvé: des millions de ménages réagiront aux événements de pointe lorsqu’ils seront récompensés (Grande-Bretagne, 2022 à 2024); les chauffe-eau, les thermostats, les chargeurs et les batteries peuvent être contrôlés à distance à grande échelle; les centrales électriques virtuelles fournissent déjà des dizaines de gigawatts aux États-Unis; le transfert de la charge vers les heures excédentaires réduit les coupures et les émissions lorsque l’usine marginale est fossile.

Plausible: que la flexibilité automatisée à domicile peut être aussi fiable qu’une centrale électrique pour l’adéquation des ressources (modélisation de Brattle, pas encore une décennie de données d’exploitation); que la flexibilité peut fournir 10 à 20% de la demande maximale d’ici 2030 aux États-Unis; que la plupart des ménages avec des pompes à chaleur et des voitures électriques accepteront le contrôle automatique si le remplacement est facile et les économies sont visibles.

Spéculatif: flexibilité quotidienne toute l’année dans la plupart des foyers sans fatigue; résultats équitables pour les ménages sans dispositifs flexibles; flexibilité à grande échelle sans nouveaux risques de sécurité.

Questions de recherche ouvertes

• Comment une baseline devrait-elle être estimée de façon juste et peu coûteuse pour un ménage, et quel niveau d’erreur est acceptable?
• Combien de personnes Événements par an Les gens vont-ils l’accepter, et comment l’automatisation va-t-elle changer cela ?
• Comment nous prévenons Pics de rebond synchronisés Quand plusieurs appareils répondent au même prix?
• Quel est le vrai Flexibilité thermique Quelle est la consommation d’énergie des maisons ordinaires avec pompes à chaleur, et comment cela change-t-il avec l’isolation et la température extérieure?
• Quels concepts tarifaires partagent les avantages équitablement avec les personnes qui ne peuvent pas changer de poste?
• Comment la flexibilité peut-elle être vérifié sur les réseaux locaux, et pas seulement sur le réseau national?

Ce dont un prototype fonctionnel aurait besoin

Pour plus de flexibilité, un modèle de travail n’est pas un dessin d’une application. Il s’agit d’un déplacement mesuré de la charge réelle sur des appareils réels: kWh déplacés, kW de coupe de pointe, avec un groupe comparatif, sur une saison entière. L’équipement est bon marché, la rigueur c’est ce qui coûte.

Phase	Travail	Décision qu’il permet	Coût brut	Temps
0. Conception	Choisissez la charge (par exemple les réservoirs d’eau chaude), le signal (prix, intensité carbone ou événement réseau), la mesure, le consentement et un plan statistique avec un groupe de contrôle	L’effet est-il suffisamment important pour être mesuré avec les logements disponibles?	$5k to $15k	1 à 2 mois
1. Essai sur banc et à domicile	Contrôleurs sur 5 à 10 appareils réels, comptage toutes les demi-heures, journalisation du confort	L’appareil déplace-t-il de manière fiable et les gens le remplacent-ils?	$10k to $30k	3 mois
2. Modèle de fonctionnement	50 à 200 foyers avec un groupe témoin apparié pour un hiver ou un été, analyse indépendante des kWh décalés et des kW coupés	Mesure de la flexibilité par foyer, participation et satisfaction	$50k to $200k	6 à 9 mois
3. Projet pilote de marché	Inscrivez les maisons agrégées à un programme de fournisseur ou d’opérateur de réseau et soyez payé pour la flexibilité fournie	Revenu par foyer, coût par kW-an, conforme aux règles du marché	$150k to $500k	12 mois

De qui nous avons besoin

• Ingénieurs en systèmes électriques Qui savent comment la flexibilité est expédiée, mesurée et réglée.
• Spécialistes des données et statisticiens pour les niveaux de référence, les groupes témoins et la vérification.
• Les comportementalistes conçoivent des offres que les gens comprennent et continuent à utiliser.
• Ingénieurs embarqués et de sécurité Pour les contrôleurs qui sont sûrs, privés et fonctionnent hors ligne.
• Spécialistes du chauffage, de l’eau chaude et de la recharge des véhicules électriques.
• Experts en réglementation et tarifs qui peuvent ouvrir les marchés aux petites charges flexibles.
• Organisateurs communautaires et conseils locaux qui peuvent recruter des ménages de manière équitable, y compris ceux à faible revenu.

Vous avez une meilleure idée ?

Certains membres de la Fondation peuvent avoir des contacts qui pourraient entendre un pitch pour une idée énergétique forte. Pour être pitchée, une idée a besoin d’un Modèle de travail, vraie vie, avec ses résultats mesurés sur un instrument non revendiqué. Pour la flexibilité, cela signifie de vrais appareils dans de vraies maisons ou bâtiments, avec des kWh mesurés décalés et des kW de coupe de pointe, par rapport aux maisons qui n’ont rien fait. Les idées papier sont les bienvenues aussi : si la physique et les chiffres sont solides, nous pouvons les publier ici sur le site. Mais lever des capitaux sans un modèle fonctionnel est très difficile, et rien ici n’est une promesse de financement, de rendements ou d’introductions.

Envoyez votre idée ou vos résultats d’essai par le biais de Formulaire de contribution: le problème qu’il résout, la charge et le signal, le décalage mesuré ou estimé, un coût approximatif par kW ou par foyer, et le test le moins cher qui pourrait prouver son erreur. Pour d’autres directions, voir les alternatives énergétiques comparées.

Sources

1. Le groupe Brattle (juin 2019). Le potentiel national de flexibilité des charges : valeur et potentiel du marché jusqu’en 2030.
2. Hledik, R. et Peters, K., Le groupe Brattle (mai 2023). La fiabilité réelle : la valeur de la puissance virtuelle, préparé pour Google.
3. Département américain de l’énergie (septembre 2023). Les chemins du décollage commercial : les centrales électriques virtuelles.
4. Opérateur national du réseau énergétique (anciennement ESO) (août 2023). Revue du service de flexibilité de la demande hiver 2022/23.
5. Opérateur du réseau national d’énergie (2024). Rapport de fin d’année du service de flexibilité de la demande hiver 2023/24; Aperçu du service.
6. Californie ISO (2016). Ce que la courbe du canard nous dit sur la gestion d’une grille verte.
7. Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. et Salpakari, J. (2015). Examen des mesures de flexibilité du système énergétique pour permettre des niveaux élevés d’électricité renouvelable variable. Revue des énergies renouvelables et durables 45, 785-807.
8. Albadi, M.H. et El-Saadany, E.F. (2008). Résumé de la réponse à la demande sur les marchés de l’électricité. Recherche en Systèmes d’Énergie Électrique 78, 1989-1996.
9. Lazard (juin 2024). Coût de l’énergie nivelé+, version 17: pic de gaz $110 to $228 par MWh. L’édition de juin 2026 donne la gamme solaire commerciale sur toit utilisée comme notre référence.
10. Local Solar System Fondation. Le mur éventail: recherche sur le vent à ciel ouvert, pour la référence solaire de toit de 0,19 $ par kWh.