Permintaan fleksibilitas

Setiap jaringan listrik harus sesuai dengan pasokan dan permintaan setiap detik. Selama satu abad, hal ini dilakukan dengan menyelaraskan pasokan: pembangkit listrik batubara, gas dan air mengikuti apa pun yang dipilih oleh masyarakat. Energi angin dan surya tidak dapat ditentukan kapan akan diproduksi, sehingga jaringan listrik yang bersih juga memerlukan setengah persamaan lainnya. Ketebalan permintaan berarti mengubah waktu kita menggunakan listrik, dan terkadang berapa banyak, sebagai tanggapan terhadap harga, sinyal atau kontrol otomatis, tanpa harus menyerahkan layanan yang kita inginkan: air panas, rumah hangat, mobil yang terisi baterai, piring bersih.

Ini adalah satu-satunya alternatif energi di daftar kami yang tidak menghasilkan energi sama sekali. Itulah mengapa hal ini penting. **Sebuah kilowatt-jam yang dipindahkan dari puncak malam ke sore hari yang cerah dapat menggantikan output pabrik gas dan menyelamatkan tenaga surya yang jika tidak akan dibuang, dengan harga pengendali dan tarif yang adil. Sistem ini sudah bekerja di jutaan rumah. Batasnya adalah kepercayaan, pengukuran dan kesabaran orang-orang yang diminta untuk berpartisipasi, bukan fisika. **

Apa itu

Ketebalan permintaan mencakup segala sesuatu yang memungkinkan penggunaan listrik mengikuti pasokan, bukan sebaliknya. Insinyur menggolongkannya menjadi empat jenis:

• Shift: pindahkan penggunaan ke jam lain tanpa mengubah total. Panaskan tangki air panas di tengah hari, isi mobil sepanjang malam, jalankan mesin cuci saat angin bertiup kencang.
• Shed: mengurangi penggunaan untuk waktu yang singkat dan menerima sedikit kurang layanan, misalnya termostat satu derajat lebih rendah selama satu jam selama puncak musim dingin.
• Shape: mengubah pola sehari-hari melalui tarif yang membuat beberapa jam lebih murah daripada yang lain, seperti waktu penggunaan atau harga setengah jam.
• Shimmy: cepat, penyesuaian kecil dalam hitungan detik atau menit yang membantu menjaga frekuensi jaringan stabil, yang pemanas air, baterai dan pengisi daya mobil dapat dilakukan tanpa ada yang menyadarinya.

Ketika ribuan perangkat seperti itu dikoordinasikan oleh perangkat lunak dan ditawarkan ke grid sebagai satu sumber daya, hasilnya disebut pembangkit listrik virtual: berperilaku seperti pembangkit listrik pada puncaknya, kecuali bahwa itu dibuat dari rumah. Tinjauan lapangan menggambarkan kotak alat lengkap dan bagaimana fleksibilitas melengkapi penyimpanan dan grid yang lebih kuat (Lund et al., 2015; Albadi and El-Saadany, 2008).

Bagaimana cara kerjanya

Kurva bebek. Pada hari musim semi yang cerah di daerah dengan banyak tenaga surya, permintaan yang harus dipenuhi oleh tanaman lain, disebut net load, menurun pada tengah hari dan kemudian naik tajam di malam hari ketika matahari terbenam dan orang-orang pulang. Diplot selama satu hari, kurva terlihat seperti bebek, bentuk yang terkenal oleh operator grid California (CAISO, 2016). Perubahan yang tajam pada malam hari dan puncak adalah jam-jam paling mahal untuk melayani; perut tengah hari berarti peternakan tenaga surya dimatikan, atau dibatasi, karena kurangnya permintaan.

Aritmatika sederhana. Tiga angka menggambarkan apa yang dilakukan fleksibilitas, dan penjelasan di atas menghitungnya untuk ilustrasi grid ukuran kota.

• Peak net load, kesenjangan terbesar antara permintaan dan angin plus surya. Ini menetapkan berapa banyak pabrik gas, baterai atau impor harus tetap siap. Memindahkan beban keluar dari malam menurunkannya.
• Curtailment, energi bersih yang diproduksi tetapi tidak digunakan. Memindahkan beban ke jam-jam bersinar matahari menggunakannya.
• Intensitas karbon, rata-rata emisi per kWh yang dikonsumsi. Jika celah tersebut diisi oleh gas pada sekitar 450 g CO2 per kWh, setiap kWh yang dipindahkan dari celah ke surplus akan menyelamatkan sekitar 450 g.

Pada hari yang ilustratif, memindahkan empat beban yang bersama-sama menggunakan 300 MWh per hari, sekitar sepertujuh dari permintaan kota, mengurangi puncak malam yang harus ditangani gas dari sekitar 112 MW ke 61 MW, mengurangi tenaga surya dan angin dari sekitar 580 hingga 380 MWh, dan menurunkan intensitas karbon dari sekitar 130 hingga 90 g per kWh. Energi yang digunakan adalah persis sama. Bentuknya hanya ilustratif, tapi mekanisme adalah satu operator grid yang bergantung pada.

Mengapa beberapa beban ideal. Sebuah beban fleksibel yang baik menyimpan energi atau memiliki kelelahan dalam jadwalnya:

• Pemanas air adalah baterai termal: sebuah tangki 200 liter yang dipanaskan oleh 40 °C memiliki sekitar 9 kWh. Memanaskan air di tengah hari bukan pada fajar tidak mengubah apa-apa untuk mandi.
• Mobil listrik Stand di parkir untuk sebagian besar hari, dan biasanya sehari drive dari 30 hingga 50 km hanya membutuhkan sekitar 5 sampai 10 kWh. Mobil yang tersambung selama sepuluh jam perlu mengisi daya untuk satu atau dua dari mereka, dan bisa memilih mana.
• Pompa panas di rumah yang terisolasi dengan baik dapat memanaskan rumah pada sore hari dan pantai melalui puncak malam dengan massa bangunan sendiri sebagai penyimpanan.
• Cooking, washing and drying machines membutuhkan waktu selesai, bukan waktu mulai.

Kendali, bukan kekuatan. Meminta orang untuk mengawasi grid tidak bertahan lama. Kisah-kisah sukses yang diukur menggabungkan harga atau imbalan yang jelas dengan otomatisasi: termostat pintar, pengisi daya atau kontroler pemanas air yang mengikuti sinyal, dengan mudah mengabaikannya. Di Inggris, layanan fleksibilitas permintaan lebih dari 99% peserta di musim dingin 2023/24 masih menjawab dengan tangan (NESO, 2024), yang merupakan keterlibatan sipil yang mengesankan dan juga alasan mengapa otomatisasi penting: tangan kering, kontroler tidak.

Batas-batas: teori dan praktik

Apa yang membatasi fisika. Flexibility dibatasi oleh penyimpanan dalam layanan: berapa banyak jam tangki tetap panas, berapa lama rumah tetap hangat, berapa banyak mobil membutuhkan pada pagi hari. Energinya bisa berpindah setiap jam, kadang-kadang setiap hari, tapi tidak dari musim panas ke musim dingin. Hal ini juga tidak dapat menggantikan cuaca yang tenang dan berawan selama seminggu: hal tersebut memerlukan penyimpanan, pembangkit listrik atau impor.

Apa yang orang dan pasar terbatas:

• Keterlibatan dan kelelahan. Acara sukarela bekerja dengan baik beberapa kali dalam musim dingin. Permintaan harian tanpa otomatisasi kehilangan orang.
• Permasalahan dasar. Untuk membayar seseorang untuk menggunakan lebih sedikit, Anda harus memperkirakan apa yang mereka akan gunakan jika tidak. Garis dasar dapat dimanipulasi, dan sulit untuk diverifikasi untuk satu rumah tangga.
• Rebound dan puncak baru. Muatan yang berpindah dari satu jam ke lain. Jika ribuan pengisi daya mulai pada saat yang sama periode murah dimulai, mereka dapat menciptakan puncak baru di kabel lokal. Skema yang baik terbalik dan acak.
• Keadilan. Keluarga yang memiliki mobil, pompa panas dan meteran pintar dapat memperoleh keuntungan dari fleksibilitas; namun keluarga yang tidak mempunyai kendaraan tidak bisa. Tarif tidak boleh menghukum orang-orang yang tidak bisa pindah, seperti mereka yang merawat seseorang di rumah.
• Privasi dan keamanan siber. Sistem yang bisa menyalakan jutaan perangkat adalah sasaran. Standar, enkripsi dan cadangan lokal sangat penting.
• Metering and settlement. Tanpa meteran setengah jam dan peraturan pasar yang membayar untuk fleksibilitas, bahkan rumah tangga yang mau tidak bisa mendapatkan imbalan.

Proyek nyata, diukur

Program	Apa yang diukur	Sumber
Great Britain 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 winter review, 2023
Great Britain Demand Flexibility Service, winter 2023/24	2,6 juta meter (99% domestik) melalui 48 penyedia; 14 tes dan 2 acara langsung; lebih dari 3,7 GWh didistribusikan dengan puncak lebih dari 400 MW; total belanja £ 11,9 juta; dalam tes kompetitif penawaran rata-rata yang diterima turun menjadi £ 1.111 per MWh, dengan penawaran setinggi £ 150	Neso akhir tahun laporan, 2024
Penyelesaian permintaan AS dan pembangkit listrik virtual	Perkiraan 30 hingga 60 GW kapasitas pembangkit listrik virtual sudah beroperasi di AS, sebagian besar dalam program respons permintaan yang digunakan beberapa kali per tahun.	US DOE, Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants, 2023
Potensi AS pada tahun 2030	Sekitar 200 GW dari fleksibilitas beban yang hemat biaya, 20% dari puncak, lebih dari tiga kali lipat dari 60 GW respons permintaan yang tersedia, bernilai lebih dari $15 miliar per tahun dalam biaya yang dihindari	Brattle, 2019
Target AS	80 hingga 160 GW pembangkit listrik virtual pada tahun 2030, 10 sampai 20% dari puncak permintaan, menyelamatkan sekitar $10 miliar per tahun dalam biaya jaringan	US DOE, 2023

Layanan Inggris adalah rekor publik skala besar yang paling jelas sejauh ini. Dalam dua musim dingin, sistem ini berubah dari tindakan darurat menjadi alat rutin: jumlah penyedia tumbuh 58%, pendaftaran mencapai 2,6 juta meter, dan setelah penyedia harus bersaing dalam tes harga rata-rata yang diterima turun menjadi sekitar £1.100 per MWh, dibandingkan dengan £3.000 pada tes musim dingin pertama. Hal ini juga menunjukkan skalanya: 400 MW pada puncaknya setara dengan ukuran satu unit besar yang dibakar gas, yang diproduksi oleh jutaan rumah tangga, sebagian besar dari mereka bekerja secara manual.

Berapa harganya

Flexibility tidak dibeli dengan kilowatt-jam seperti output dari pembangkit listrik. Listrik ini dibeli berdasarkan kilowatt puncak yang dikeluarkan per tahun, karena itulah yang digantikan: pembangkit listrik dan baterai yang dibangun untuk siap selama beberapa puluh jam.

Opsi untuk menutupi puncak	Ukuran biaya	Sumber
Pabrik gas puncak, baru	$0.110 to $0.228 per kWh yang diproduksi, berjalan hanya pada puncak	Lazard LCOE+, 2024
Peak gas, baterai skala utilitas dan VPP perumahan, 400 MW keandalan untuk model utility AS	Biaya bersih VPP untuk utilitas adalah sekitar 40% dari puncak gas dan 60% dari baterai. menghitung emisi dan ketahanan, biaya bersih tahunan adalah sekitar $43 million for gas, $29 juta untuk baterai dan $ 2 juta untuk VPP	Brattle, Real Reliability, 2023
Pengurangan permintaan rumah tangga darurat, Inggris Raya	£1,111 sampai £4,559 per MWh yang diantarkan, selama beberapa jam di musim dingin	NESO, 2023 dan 2024
Panel surya di atap gedung, standar generasi kita	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 to $0.20	Model kita Fan Wall; Lazard, 2026

Dua pelajaran keluar dari meja itu. Pertama, per kWh, pengurangan waktu puncak terlihat mahal, namun pembangkit listrik yang beroperasi pada saat puncak juga mahal karena sangat jarang digunakan; per kW keandalan, rumah fleksibel adalah pilihan termurah dalam studi di atas, dan Brattle memperkirakan pengembangan 60 GW di AS dapat memenuhi kebutuhan keandalan masa depan dengan biaya $15 to $35 miliar lebih rendah selama sepuluh tahun dibandingkan alternatif-alternatif lainnya. Kedua, fleksibilitas tidak bersaing dengan standar surya atap kami, melainkan melengkapinya. Tenaga surya menghasilkan energi terbanyak pada siang hari; fleksibilitas memindahkan penggunaan ke jam-jam tersebut, yang meningkatkan nilai setiap panel dan mengurangi kebutuhan akan baterai.

Di mana ia bisa menang, dan di mana ia tidak dapat

Ia bisa menang:

• Jaringan dengan banyak tenaga surya, di mana harga tengah hari turun ke nol dan puncak malam mahal.
• Rumah dengan pemanas listrik, tangki air panas, pompa panas atau mobil listrik, muatan yang menyimpan energi secara alami.
• Jaringan lokal dekat batasnya, dimana mengelola kapan mobil mengisi daya dapat menunda kabel dan transformator baru; US DOE mencatat studi California menemukan bahwa pengisian yang lebih mulus bisa memotong investasi distribusi pada tahun 2035 dari hingga $50 billion to $15 hingga $20 miliar.
• Bisnis dengan proses termal: gudang dingin, pemompaan air, pemanasan dan pendingin bangunan besar.

Ia tidak bisa menang:

• Period yang panjang, tenang dan gelap. Jam kerja tidak bisa menutupi minggu tanpa angin di musim dingin.
• Muatan yang harus berjalan sekarangRumah sakit, pencahayaan, memasak, sebagian besar industri pada jadwal ketat.
• Tanpa pelacakan dan peraturan yang adil. Di mana meter dibaca sekali dalam sebulan dan tarif tetap, tidak ada yang harus direspon dan tidak ada cara untuk dibayar.

Apa yang terbukti, masuk akal dan spekulatif

Diuji: jutaan rumah tangga akan menanggapi peristiwa puncak ketika mereka mendapat penghargaan (Inggris, 2022 hingga 2024); pemanas air, termostat, pengisi daya dan baterai dapat dikendalikan secara jarak jauh dalam skala besar; pembangkit listrik virtual telah menyediakan puluhan gigawatt di AS; memindahkan beban ke jam surplus mengurangi pengurangan dan emisi ketika pembangkit marginal adalah fosil.

Plausible: bahwa fleksibilitas rumah otomatis dapat diandalkan seperti pembangkit listrik untuk ketersediaan sumber daya (model Brattle, belum satu dekade data operasi); bahwa fleksibilitas dapat menyediakan 10 hingga 20% dari permintaan puncak pada tahun 2030 di AS; bahwa sebagian besar rumah tangga dengan pompa panas dan mobil listrik akan menerima kontrol otomatis jika override mudah dan penghematan terlihat.

Spekulasi: sepanjang tahun, fleksibilitas sehari-hari dari kebanyakan rumah tanpa kelelahan; hasil yang adil untuk rumah tangga tanpa perangkat fleksibel; fleksibilitas skala besar tanpa risiko keamanan baru.

Pertanyaan penelitian terbuka

• Bagaimanakah dasar diperkirakan secara adil dan murah untuk sebuah rumah tangga, dan berapa banyak kesalahan yang dapat diterima?
• Berapa banyak event per year akankah orang-orang menerimanya, dan bagaimana otomatisasi mengubah itu?
• Bagaimana kita mencegah peak tendangan balik yang tersinkronisasi ketika banyak perangkat merespon harga yang sama?
• Apa yang sebenarnya fleksibilitas termal dari rumah biasa dengan pompa panas, dan bagaimana perubahannya dengan insulasi dan suhu luar?
• Yang desain tarif membagi keuntungan secara adil dengan orang-orang yang tidak bisa pindah?
• Bagaimana bisa fleksibilitas diverifikasi di jaringan lokal, bukan hanya di grid nasional?

Apa yang diperlukan untuk membuat prototipe

Untuk fleksibilitas, model kerja bukanlah gambar dari sebuah aplikasi. Ini adalah pergeseran yang diukur dari beban nyata pada perangkat nyata: kWh bergerak, kW dari pemotongan puncak, dengan kelompok perbandingan, selama musim penuh. Peralatannya murah; ketelitian adalah apa yang dibutuhkan.

Fase	Bekerja	Keputusan yang memungkinkan	Biaya kasar	Waktu
0. Design	Pilih beban (misalnya tangki air panas), sinyal (harga, intensitas karbon atau peristiwa grid), pengukuran, persetujuan dan rencana statistik dengan kelompok kontrol	Apakah efeknya cukup besar untuk diukur dengan rumah yang tersedia?	$5k to $15k	1 sampai 2 bulan
1. bench dan home test	Pengendali pada 5 sampai 10 perangkat nyata, setengah jam metering, comfort logging	Apa alatnya bisa diandalkan, dan apakah orang-orang mengabaikannya?	$10k to $30k	3 bulan
2. Model kerja	50 sampai 200 rumah dengan kelompok kontrol yang cocok untuk satu musim dingin atau musim panas, analisis independen dari kWh bergeser dan kW memotong	Diukur fleksibilitas per rumah, partisipasi dan kepuasan	$50k to $200k	6 sampai 9 bulan
3. Market pilot	Daftarkan rumah-rumah yang tergabung dengan program pemasok atau operator jaringan dan dapatkan bayaran untuk fleksibilitas yang ditawarkan	Pendapatan per rumah, biaya per kW-tahun, sesuai dengan peraturan pasar	$150k to $500k	12 bulan

Siapa yang kita butuhkan

• Insinyur sistem daya yang tahu bagaimana fleksibilitas dikirim, diukur dan diselesaikan.
• Ilmuwan data dan statistik untuk garis dasar, kelompok kontrol dan verifikasi.
• Ilmuwan perilaku untuk merancang penawaran orang mengerti dan terus menggunakan.
• Insinyur keamanan dan tertanam untuk kontroler yang aman, pribadi dan bekerja offline.
• Spesialis pemanasan, air panas dan pengisian kendaraan listrik.
• Para Ahli Regulasi dan Tarif yang bisa membuka pasar untuk muatan kecil dan fleksibel.
• Organisator komunitas dan dewan lokal yang bisa merekrut rumah tangga secara adil, termasuk mereka dengan pendapatan rendah.

Kau punya ide yang lebih baik?

Beberapa anggota Yayasan mungkin memiliki kontak yang bisa mendengarkan ide energi yang kuat. Untuk diluncurkan, sebuah ide membutuhkan model yang bekerja, hidup, dengan hasil yang diukur pada instrumen, tidak diklaim. Untuk fleksibilitas, hal ini berarti perangkat nyata di rumah atau gedung yang sebenarnya, dengan kWh meteran yang berubah dan kW puncak yang dipotong, dibandingkan dengan rumah yang tidak melakukan apa-apa. Ide-ide kertas juga disambut: jika fisika dan angkanya kuat, kami bisa menerbitkannya di sini di situs web. Namun, mengumpulkan modal tanpa model yang bekerja sangat sulit, dan tidak ada jaminan pendanaan, keuntungan atau pengenalan.

Kirim ide atau hasil percobaan Anda melalui formula kontribusi: masalah yang diselesaikan, beban dan sinyal, perubahan yang diukur atau diperkirakan, biaya kasar per kW atau per rumah, dan tes termurah yang dapat membuktikan kesalahannya. Untuk arah lain, lihat energi alternatif dibandingkan.

Sumber

1. The Brattle Group (June 2019). Potensi Nasional untuk Flexibilitas Load: Nilai dan Potensi Pasar hingga 2030.
2. Hledik, R. and Peters, K., The Brattle Group (May 2023). Kelayakan yang Benar: Nilai dari Kekuatan Virtual, disiapkan untuk Google.
3. US Department of Energy (September 2023). Jalan menuju Peluncuran Komersial: Pembangkit Listrik Virtual.
4. National Energy System Operator (sebelumnya ESO) (Agustus 2023). Demand Flexibility Service winter review 2022/23.
5. National Energy System Operator (2024). Demand Flexibility Service winter 2023/24 end of year report; service overview.
6. Jakarta: Ikatan Alumni (2016). Apa yang kurva bebek katakan kepada kita tentang mengelola grid hijau.
7. (Inggris) Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. and Salpakari, J. (2015). Tindak lanjuti langkah-langkah fleksibilitas sistem energi untuk memungkinkan tingkat tinggi listrik terbarukan yang bervariasi. Energi Terbarukan dan Berkelanjutan Review 45, 785-807.
8. (Inggris) Albadi, M.H. and El-Saadany, E.F. (2008). Sebuah ringkasan dari respons permintaan di pasar listrik. Electric Power Systems Research 78, 1989-1996.
9. Lazard (Juni 2024). Levelized Cost of Energy+, versi 17: puncak gas $110 to $228 per MWh. Edisi Juni 2026 memberikan rentang surya komersial atap yang digunakan sebagai acuan kami.
10. Local Solar System Yayasan. The Fan Wall: open wind research, untuk benchmark surya atap sebesar $0.19 per kWh.