Fleksibilnost u potražnji

Svaka elektroenergetska mreža mora uskladiti ponudu i potražnju svake sekunde. Stotinu godina to se radilo prilagodbom opskrbe: elektrane na ugljen, plin i hidroelektrane pratile su ono što su ljudi odlučili uključiti. Vjetar i sunce ne mogu se odrediti kada će proizvoditi, tako da čista mreža treba drugu polovicu jednadžbe koja se također kreće. Fleksibilnost potražnje znači mijenjanje kada koristimo električnu energiju, a ponekad i koliko, kao odgovor na cijene, signale ili automatsku kontrolu, bez odricanja od usluge koju želimo: topla voda, topli dom, napunjen automobil, čisto posuđe.

To je jedina energetska alternativa na našem popisu koja ne proizvodi nikakvu energiju. Točno zato je važno. ** Kilovat-sat pomaknut iz večernje vršne snage u sunčano poslijepodne može zamijeniti proizvodnju plinske elektrane i spasiti solarnu energiju koja bi se inače bacila, za cijenu regulatora i poštenu tarifu. Već radi na razini milijuna domova. Njegove granice su povjerenje, mjerenje i strpljenje ljudi koji su pozvani da sudjeluju, a ne fizika.

Što je to?

Fleksibilnost potražnje obuhvaća sve što omogućuje da potrošnja električne energije prati ponudu, a ne obrnuto. Inženjeri ga grupiraju u četiri vrste:

• Shift: premještanje korištenja na drugi sat bez promjene ukupnog broja. Zagrijte spremnik tople vode u podne, napunite automobil preko noći, pokrenite perilicu posuđa kada puše jak vjetar.
• Šetalište: smanjite upotrebu na kratko vrijeme i prihvatite malo manje usluge, na primjer termostat jedan stupanj niži za sat vremena tijekom zimske vršne temperature.
• Shape: promijenite svakodnevni obrazac putem tarifa koje neke sate čine jeftinijima od drugih, kao što su cijene za vrijeme uporabe ili pola sata.
• Shimmy: brze, male prilagodbe u roku od nekoliko sekundi ili minuta koje pomažu održati stabilnu frekvenciju mreže, što grijači vode, baterije i punjači automobila mogu učiniti bez da itko primijeti.

Kada su tisuće takvih uređaja koordinirani softverom i ponuđeni mreži kao jedan resurs, rezultat se naziva virtualna elektrana: ponaša se poput elektrane na vrhuncu, osim što je izgrađena od domova. Pregledi na terenu opisuju cijeli alatni okvir i kako fleksibilnost dopunjuje skladištenje i jače mreže (Lund et al., 2015.; Albadi i El-Saadany, 2008.).

Kako to funkcionira

Patka krivulja. Na sunčan proljetni dan u regiji s puno solarne energije, potražnja koju druge biljke moraju zadovoljiti, zvana neto opterećenje, pada usred dana i zatim se strmo penje navečer kada sunce zađe i ljudi dođu kući. Ispisana tijekom jednog dana, krivulja izgleda kao patka, oblik koji je proslavio operator kalifornijske mreže (CAISO, 2016). Strma večernja rampa i vrh su najskuplji sati za opsluživanje; podnevni trbuh znači da se solarne farme isključuju ili ograničavaju zbog nedostatka potražnje.


Jednostavna aritmetika. Tri broja opisuju što fleksibilnost čini, a gornji objašnjivač ih izračunava za ilustrativnu mrežu veličine grada.

• Vrhovno neto opterećenje, najveći jaz između potražnje i vjetra plus solarne energije. Time se određuje koliko plinskih postrojenja, baterija ili uvoza mora biti spremno. Pomicanje opterećenja iz večeri ga smanjuje.
• Curtailment, čista energija proizvedena ali neiskorištena. Pomicanje opterećenja u sunčane sate koristi ga.
• Intenzitet ugljika, prosječne emisije po potrošenom kWh. Ako se jaz popuni plinom s oko 450 g CO2 po kWh, svakim kWh-om koji se iz jaza premjesti u višak uštedjet će se oko 450 g.

U ilustrativnom danu, prebacivanje četiri opterećenja koja zajedno koriste 300 MWh dnevno, oko sedmine gradske potražnje, smanjuje večernji vrh koji plin mora pokriti s oko 112 MW na 61 MW, smanjuje ograničavanje solarne i vjetrove energije s oko 580 na 380 MWh te smanjuje intenzitet ugljika s oko 130 na 90 g po kWh. Upotrebljavana energija je potpuno ista. Oblici su ilustrativni, ali mehanizam je onaj na koji se operateri oslanjaju.

Zašto su neki opterećenja idealni. Dobar fleksibilan teret pohranjuje energiju ili ima odmak u svom rasporedu:


• Borači za vodu su toplinske baterije: spremnik od 200 litara zagrijan na 40 °C sadrži oko 9 kWh. Zagrijavanje u podne, a ne u zoru, ne mijenja ništa za tuširanje.
• Električni automobili Vozilo je parkirano veći dio dana, a tipična dnevna vožnja od 30 do 50 km zahtijeva samo oko 5 do 10 kWh. Auto koje je priključeno na struju deset sati treba se puniti za jedan ili dva od njih, a može odabrati koji.
• Dizalice topline u dobro izoliranom domu mogu predgrijati kuću u popodnevnim satima i proći kroz večernji vrh s vlastitom masom zgrade kao spremištem.
• Perilice posuđa, perilice rublja i sušilice Trebam vrijeme završetka, a ne vrijeme početka.

Kontrolla, a ne volja. Traženje ljudi da gledaju mrežu ne traje. Izmjerene priče o uspjehu kombiniraju jasnu cijenu ili nagradu s automatizacijom: pametni termostat, punjač ili regulator grijača vode koji slijedi signal, s jednostavnim nadvladavanjem. U britanskoj službi za fleksibilnost potražnje preko 99% sudionika u zimi 2023/24 još uvijek odgovara ručno (NESO, 2024), što je impresivna građanska angažiranost i također razlog zašto je automatizacija važna: ruke se umoriti, kontroleri ne.

Granice: teorijske i praktične

Što fizika ograničava. Fleksibilnost je ograničena skladištenjem u službi: koliko sati spremnik ostaje topao, koliko dugo kuća ostaje topla, koliko automobil treba do jutra. Može se mijenjati energija satima, ponekad i danima, ali ne od ljeta do zime. Također ne može nadoknaditi tjedan dana mirnog, oblačnog vremena: za to je potrebno skladištenje, čvrsta proizvodnja ili uvoz.

Što ljudi i tržišta ograničavaju:

• Sudjelovanje i umor. Dobrovoljna događanja dobro rade nekoliko puta zimi. Dnevni zahtjevi bez automatizacije gube ljude.
• Izvorni problem. Da biste nekome platili da koristi manje, morate procijeniti koliko bi inače koristio. Osnovne linije mogu se zagađivati, a teško ih je provjeriti za jedno kućanstvo.
• Odskoci i novi vrhovi. Opterećenje pomaknuto iz jednog sata u drugi. Ako tisuće punjača pokrene u isto vrijeme kada započne jeftino razdoblje, mogu stvoriti novi vrh na lokalnim kabelima. Dobre sheme se pomiču i nasumično.
• Poštenost. Kućanstva s automobilima, toplinskim pumpama i pametnim brojilima mogu zaraditi od fleksibilnosti; oni bez njih ne mogu. Tarife ne smiju kazniti ljude koji se ne mogu prebacivati, kao što su oni koji se brinu o nekome kod kuće.
• Privatnost i kibernetička sigurnost. Sustav koji može prebaciti milijun uređaja je meta. Standardi, šifriranje i lokalne rezerve su od ključne važnosti.
• Mjerenje i namirenje. Bez polusatnih brojila i tržišnih pravila koja plaćaju fleksibilnost, čak ni voljna kućanstva ne mogu biti nagrađena.

Stvarni projekti, izmjereni

Program	Što je izmjereno	Izvor
Usluga fleksibilnosti potražnje u Velikoj Britaniji, zima 2022./23.	Više od 1,6 milijuna kućanstava i poduzeća kroz 31 pružatelja usluga sudjelovalo je u 22 događaja i smanjilo potrošnju za oko 3.300 MWh. Prosječna isplata: £ 3.000 po MWh u testnim događajima, £ 4.559 po MWh u dvama live događajima u siječnju 2023. godine Odziv na live događaje bio je 20% veći nego u testovima	NESO zimski pregled, 2023
Usluga fleksibilnosti potražnje Velike Britanije, zima 2023./24.	2,6 milijuna mjerača (99% domaćih) preko 48 pružatelja usluga; 14 testova i 2 događaja uživo; isporučeno više od 3,7 GWh s vrhuncem od više od 400 MW; ukupna potrošnja £11.9 milijuna; u konkurentnim testovima prosječna prihvaćena ponuda pala je na £1,111 po MWh, uz ponude niske do £150	NESO završno izvješće za 2024. godinu
Odgovor na potražnju u SAD-u i virtualne elektrane	Procjenjuje se da u SAD-u već radi 30 do 60 GW virtualnog kapaciteta elektrana, uglavnom u programima upravljanja potrošnjom koji se koriste nekoliko puta godišnje	US DOE, Putovi do komercijalnog polijetanja: Virtualne elektrane, 2023
Potencijal SAD-a do 2030.	Oko 200 GW troškovno učinkovite fleksibilnosti opterećenja, 20% vršne snage, više od tri puta 60 GW tada dostupnog odgovora na potražnju, vrijednih preko 15 milijardi dolara godišnje u izbjegnutim troškovima	Brattle, 2019
Američka meta	80 do 160 GW virtualnih elektrana do 2030. godine, 10 do 20% vršne potražnje, ušteda reda veličine od 10 milijardi dolara godišnje u troškovima mreže	US DOE, 2023

Britanska služba je do sada najjasniji javni zapis velikih razmjera. U dvije zime, od hitne mjere prešao je u rutinski alat: broj pružatelja usluga porastao je za 58%, prijave su dosegle 2,6 milijuna mjerača, a nakon što su se pružatelji morali natjecati u testovima prosječna prihvaćena cijena pala je na oko £1.100 po MWh, u usporedbi s £3.000 u prvim zimskim testovima. Također pokazuje razmjere: 400 MW na vrhuncu je otprilike veličine jedne velike jedinice na plin, koju isporučuju milijuni domova, od kojih većina djeluje ručno.

Koliko košta

Fleksibilnost se ne kupuje po kilovat-satu kao što je to slučaj s izlazom elektrane. Kupa se po kilovatu vršne potrošnje koji uklanja, godišnje, jer to je ono što zamjenjuje: postrojenja i baterije izgrađene da stoje spremne nekoliko desetaka sati.

Mogućnost pokrivanja vršnog dijela	Mjera troškova	Izvor
Postrojenje za vršni plin, novo	$0.110 to $0,228 po proizvedenom kWh, rad samo na vršnim vrijednostima	Lazard LCOE+, 2024
Plinski vrh, baterija za komunalne usluge i VPP za stambene zgrade, pouzdanost od 400 MW za modelirane američke komunalne usluge	Neto trošak VPP-a za komunalnu tvrtku iznosi oko 40% od vršne potrošnje plina i 60% od baterije. $43 million for gas, $29 milijuna za baterije i 2 milijuna dolara za VPP	Brattle, stvarna pouzdanost, 2023
Hitno smanjenje potražnje kućanstava, Velika Britanija	1.111 do 4.559 funti po isporučenom MWh, za nekoliko sati zimi	NESO, 2023. i 2024.
Solarni krov na zgradi, naša generacijska referenca	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 do 0.20 USD	Naš model zidnog ventilatora; Lazard, 2026

Dvije lekcije proizlaze iz tog stola. Prvo, po kWh, smanjenje vršnog vremena izgleda skupo, ali postrojenje za vrhunac također je skupo po kWh jer se tako rijetko pokreće; Po kW pouzdanosti, fleksibilni domovi su najjeftinija opcija u gore navedenim studijama, a Brattle procjenjuje da bi implementacija od 60 GW SAD-a mogla zadovoljiti buduće potrebe za pouzdanošću za $15 to $35 milijardi manje tijekom deset godina nego alternative. Drugo, fleksibilnost se ne natječe s našim krovnim solarnim referentnim vrijednostima, već ih dopunjuje. Solarna energija najviše proizvodi u podne; fleksibilnost pomiče uporabu u to vrijeme, što povećava vrijednost svakog panela i smanjuje potrebu za baterijama.

Gdje može pobijediti, a gdje ne može

Može pobijediti:

• Mreže s puno solarne, gdje cijene u podne padaju prema nuli, a večernji vrhovi su skupi.
• Kuće s električnim grijanjem, spremnicima tople vode, toplinskim pumpama ili električnim automobilima, opterećenja koja po prirodi skladište energiju.
• Lokalne mreže u blizini svojih granica, gdje upravljanje kada se automobili napunjuju može odgoditi nove kabele i transformatore; Američki DOE napominje da su kalifornijske studije otkrile da bi glatko punjenje moglo smanjiti distribucijska ulaganja do 2035. godine s do $50 billion to $15 do 20 milijardi dolara.
• Poslovni objekti s toplinskim procesima: hladnjače, crpljenje vode, grijanje i hlađenje velikih zgrada.

Ne može pobijediti:

• Duga razdoblja mira i tame. Pomicanje sati ne može pokriti tjedan bez vjetra zimi.
• Opterećenja koja moraju odmah raditi: bolnice, rasvjeta, kuhanje, većina industrije na tijesnim rasporedima.
• Bez mjerenja i poštenih pravila. Gdje se brojila očitavaju jednom mjesečno, a tarife su ravne, nema na što odgovoriti i nema načina da se plati.

Što je dokazano, vjerodostojno i spekulativno

Dokazano: Milijuni kućanstava će reagirati na događaje u vršnom razdoblju kada budu nagrađeni (Velika Britanija, od 2022. do 2024.); grijači vode, termostati, punjači i baterije mogu se daljinski kontrolirati u razmjeru; virtualne elektrane već pružaju desetke gigavata u SAD-u; pomicanje opterećenja u višak sati smanjuje smanjenje i emisije kada je marginalna postrojenja fosilna.

Plausibilno: da automatizirana fleksibilnost doma može biti pouzdana kao elektrana za adekvatnost resursa (Brattleovo modeliranje, još uvijek ne desetljeće operativnih podataka); da fleksibilnost može osigurati 10 do 20% vršne potražnje do 2030. u SAD-u; da će većina kućanstava s toplinskim pumpama i električnim automobilima prihvatiti automatsku kontrolu ako je nadvladavanje lako i uštede su vidljive.

Spekulativno: Cjelogodišnja, svakodnevna fleksibilnost iz većine domova bez umora; pošteni rezultati za kućanstva bez fleksibilnih uređaja; široka fleksibilnost bez novih sigurnosnih rizika.

Otvorena istraživačka pitanja

• Kako bi se izvorna vrijednost trebala procijeniti pošteno i jeftino za kućanstvo, te koliko je pogreška prihvatljiva?
• Koliko će ljudi prihvatiti eventova godišnje i kako automatizacija to mijenja?
• Kako spriječiti sinhronizirane vrhove odskakanja kada mnogi uređaji reagiraju na istu cijenu?
• Što je stvarno Vrlo dobra toplinska fleksibilnost Koliko je prosječna potrošnja energije običnih kuća s toplinskim pumpama i kako se mijenja s izolacijom i vanjskom temperaturom?
• Koji tarifarni dizajni dijele pogodnosti pravedno s ljudima koji se ne mogu pomaknuti?
• Kako fleksibilnost može biti provjereno Na lokalnim mrežama, a ne samo na nacionalnoj mreži?

Što bi radni prototip trebao

Radi fleksibilnosti, radni model nije crtež aplikacije. To je izmjereno pomicanje stvarnog opterećenja na stvarnim uređajima: kWh premješteno, kW vršnog rezanja, s usporednom grupom, tijekom cijele sezone. Oprema je jeftina, a strogost je ono što košta.

Faza	Rad	Odluka koju omogućuje	Bruto trošak	Vrijeme
0. Design	Odaberite opterećenje (na primjer spremnici tople vode), signal (cijena, intenzitet ugljika ili mrežni događaj), mjerenje, pristanak i statistički plan s kontrolnom skupinom	Je li učinak dovoljno velik da se izmjeri s dostupnim domovima?	$5k to $15k	1 do 2 mjeseca
1.Klupa i kućni test	Kontroleri na 5 do 10 stvarnih uređaja, polusatno mjerenje, logiranje udobnosti	Da li se uređaj pouzdano prebacuje i da li ga ljudi nadjačavaju?	$10k to $30k	3 mjeseca
2. Radni model	50 do 200 domova s usklađenom kontrolnom skupinom za jednu zimu ili ljeto, nezavisna analiza pomaknutih kWh i smanjenih kW	Izmjerena fleksibilnost po domu, sudjelovanje i zadovoljstvo	$50k to $200k	6 do 9 mjeseci
3. Tržišni pilot	Uključite agregatne domove u program dobavljača ili mrežnog operatera i primite plaću za pruženu fleksibilnost	Prihod po kućanstvu, trošak po kW-godini, usklađenost s tržišnim pravilima	$150k to $500k	12 mjeseci


Koga trebamo

• Inženjeri elektroenergetskih sustava koji znaju kako se fleksibilnost šalje, mjeri i naplaćuje.
• Podatkovni znanstvenici i statističari Za početne vrijednosti, kontrolne skupine i verifikaciju.
• Bihevioralni znanstvenici dizajniraju ponude koje ljudi razumiju i nastavljaju koristiti.
• Inženjeri za ugrađene i sigurnosne sustave Preuzmite aplikaciju za kontrolere koji su sigurni, privatni i rade izvan mreže.
• Specijalisti za grijanje, toplu vodu i punjenje električnih vozila.
• Regulatorni i tarifni stručnjaci koji mogu otvoriti tržišta malim fleksibilnim opterećenjima.
• Organizatori zajednice i lokalna vijeća koji mogu pravedno zaposliti kućanstva, uključujući i one s niskim prihodima.

Imaš bolju ideju?

Neki članovi Zaklade mogu imati kontakte koji bi mogli čuti za snažnu energetsku ideju. Da bi se ideja predstavila, treba joj Radni, stvarni život model, s rezultatima izmjerenim na instrumentu, koji se ne zahtijeva. Za fleksibilnost, to znači stvarne uređaje u stvarnim domovima ili zgradama, s pomaknutim kWh mjerenjem i kW vršnog rezanja, u usporedbi s kućama koje nisu učinile ništa. Dobrodošle su i ideje na papiru: ako je fizika i brojevi čvrsti, možemo ih objaviti ovdje na web stranici. No, prikupljanje kapitala bez radnog modela vrlo je teško, a ovdje ništa nije obećanje financiranja, povrata ili uvođenja.

Pošaljite svoju ideju ili rezultate svoga pokusa putem obrazca za doprinose: problem koji rješava, opterećenje i signal, izmjereni ili procijenjeni pomak, grubi trošak po kW ili po domu te najjeftiniji test koji bi mogao dokazati da je u krivu. Za ostale smjerove pogledajte usporedba energetskih alternativa.

Izvori

1. The Brattle Group (June 2019). Nacionalni potencijal za fleksibilnost opterećenja: vrijednost i tržišni potencijal do 2030..
2. Hledik, R. i Peters, K., The Brattle Group (svibanj 2023.). Prava pouzdanost: Vrijednost virtualne snage, pripremljeno za Google.
3. US Department of Energy (September 2023). Putovi do komercijalnog uzlijetanja: virtualne elektrane.
4. National Energy System Operator (formerly ESO) (August 2023). Pregled zimske usluge fleksibilnosti potražnje 2022./23..
5. National Energy System Operator (2024). Izvješće o usluzi fleksibilnosti potražnje za zimu 2023./24.; pregled usluge.
6. “Kalifornija” (2016.) Što nam patkasta krivulja govori o upravljanju zelenom mrežom.
7. Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. i Salpakari, J. (2015). Pregled mjera fleksibilnosti energetskog sustava kako bi se omogućile visoke razine varijabilne električne energije iz obnovljivih izvora. Obnovljivi i održivi izvori energije 45, 785-807.
8. Al-Hakim, A. i al-Asad, E. (2008). Sažetak upravljanja potrošnjom na tržištima električne energije. Istraživanje elektroenergetskih sustava 78, 1989-1996.
9. Lazard (June 2024). Ravnotežni trošak energije+, verzija 17: plinski vrh $110 to $228 po MWh. Izdanje iz lipnja 2026. godine daje komercijalni krovni solarni raspon koji se koristi kao naša referentna vrijednost.
10. Local Solar System Zakladu. The Fan Wall: open wind research, za krovnu solarnu referentnu vrijednost od $0.19 po kWh.