Flessibilità della domanda
La centrale elettrica più economica potrebbe essere quella che non costruiamo mai. Riscaldare l’acqua a mezzogiorno invece delle sei, o ricaricare un’auto quando soffia il vento, non produce nuova energia, ma può ridurre i picchi di consumo, le emissioni di carbonio e le bollette.
NASA
Ogni rete elettrica deve far corrispondere domanda e offerta ogni secondo. Per un secolo questo è stato fatto regolando l’offerta: le centrali a carbone, gas e idroelettriche hanno seguito ciò che la gente ha scelto di accendere. Non si può dire quando produrre energia eolica e solare, quindi una rete pulita ha bisogno che anche l’altra metà dell’equazione si muova. Flessibilità della domanda significa cambiare quando usiamo l’elettricità, e talvolta quanto, in risposta a prezzi, segnali o controllo automatico, senza rinunciare al servizio che vogliamo: acqua calda, casa riscaldata, auto carica, piatti puliti.
È l’unica alternativa energetica sulla nostra lista che non produce energia affatto. Un kilowatt-ora spostato dal picco serale a un pomeriggio soleggiato può sostituire la produzione di una centrale a gas e salvare l’energia solare che altrimenti verrebbe gettata via, per il prezzo di un controller e di una tariffa equa. Funziona già sulla scala di milioni di case. I suoi limiti sono la fiducia, la misurazione e la pazienza delle persone a cui viene chiesto di partecipare, non la fisica.
Che cos’è
La flessibilità della domanda copre tutto ciò che consente all’utilizzo dell’elettricità di seguire l’offerta piuttosto che il contrario. Gli ingegneri lo raggruppano in quattro tipi:
- Shift: sposta l’utilizzo ad un’altra ora senza cambiare il totale. Riscaldare un serbatoio di acqua calda a mezzogiorno, caricare una macchina durante la notte, far funzionare la lavastoviglie quando il vento è forte.
- Tettoia: ridurre l’uso per un breve periodo e accettare un po ‘meno servizio, ad esempio un termostato di un grado più basso per un’ora durante un picco invernale.
- Shape: modificare il modello quotidiano attraverso tariffe che rendono alcune ore più economiche di altre, come i prezzi a tempo o mezz’ora.
- Shimmy: piccole regolazioni rapide in pochi secondi o minuti che aiutano a mantenere stabile la frequenza della rete, cosa che scaldabagni, batterie e caricabatterie per auto possono fare senza che nessuno se ne accorga.
Quando migliaia di questi dispositivi sono coordinati da un software e offerti alla rete come una risorsa, il risultato è chiamato centrale elettrica virtuale: si comporta come una centrale elettrica al picco, tranne che è fatta di case. Recensioni sul campo descrivono la cassetta degli attrezzi completa e come la flessibilità si integra con lo stoccaggio e reti più forti (Lund et al., 2015; Albadi and El-Saadany, 2008).
Ecco come funziona
La curva dell’anatra. In una soleggiata giornata primaverile in una regione con molta energia solare, la domanda che devono soddisfare gli altri impianti, chiamata carico netto, diminuisce a metà giornata e poi aumenta notevolmente la sera quando il sole tramonta e le persone tornano a casa. Tracciata nell’arco di un giorno, la curva assomiglia ad una anatra, una forma resa famosa dall’operatore della rete californiana (Il caso, 2016). La ripida rampa serale e il picco sono le ore più costose da servire; la pancia di mezzogiorno significa che i parchi solari vengono spenti, o ridotti, per mancanza di domanda.
La semplice aritmetica. Tre numeri descrivono cosa fa la flessibilità, e l’esplicatore sopra li calcola per una griglia illustrativa delle dimensioni di una città.
- Picco di carico netto, il più grande divario tra domanda ed eolica più solare. Stabilisce quanti impianti a gas, batterie o importazioni devono essere tenuti pronti. Il carico in movimento fuori della sera lo abbassa.
- Curtailment, l’energia pulita prodotta ma non utilizzata. Lo spostamento del carico nelle ore di sole lo utilizza.
- Carbon intensity, le emissioni medie per kWh consumato. Se il gap viene colmato con gas a circa 450 g di CO2 per kWh, ogni kWh spostato dal gap nell’eccedenza consente di risparmiare circa 450 g.
Nella giornata illustrativa, spostando quattro carichi che insieme utilizzano 300 MWh al giorno, circa un settimo della domanda della città, si riduce il picco serale che il gas deve coprire da circa 112 MW a 61 MW, si riduce la riduzione dell’energia solare ed eolica da circa 580 a 380 MWh e si abbassa l’intensità di carbonio da circa 130 a 90 g per kWh. L’energia utilizzata è esattamente la stessa. Le forme sono illustrative, ma il meccanismo è quello su cui si basano gli operatori di rete.
Perché alcuni carichi sono ideali. Un buon carico flessibile immagazzina energia o ha un allentamento nel suo programma:
- Scaldabagni a gas Le batterie sono termiche: un serbatoio da 200 litri riscaldato a 40 °C contiene circa 9 kWh. Riscaldarlo a mezzogiorno invece che all’alba non cambia nulla per la doccia.
- Auto elettriche La maggior parte delle auto elettriche rimane parcheggiata per la maggior parte della giornata e una tipica corsa giornaliera di 30-50 km richiede solo circa 5-10 kWh. Un’auto collegata per dieci ore deve caricare uno o due di essi, e può scegliere quale.
- Pompe di calore In una casa ben isolata può preriscaldare la casa nel pomeriggio e costa attraverso il picco serale con la massa dell’edificio come stoccaggio.
- Lavastoviglie, lavatrici e asciugatrici hanno bisogno di un tempo di fine, non un tempo di inizio.
Controllo, non forza di volontà. Chiedere alle persone di guardare la griglia non dura. Le storie di successo misurate combinano un chiaro prezzo o premio con l’automazione: un termostato intelligente, un caricabatterie o un controllore dello scaldabagno che segue il segnale, con una facile sovrascrittura. Nel servizio di flessibilità della domanda britannico oltre il 99% dei partecipanti nell’inverno 2023/24 ha ancora risposto a mano (NESO, 2024), che è un coinvolgimento civico impressionante e anche il motivo per cui l’automazione conta: le mani si stancano, i controller no.
I limiti: teorici e pratici
Quali limiti fisici. La flessibilità è limitata dallo stoccaggio nel servizio: quante ore rimane caldo un serbatoio, quanto tempo una casa rimane calda, di quanta energia ha bisogno un’auto al mattino. Può spostare l’energia per ore, occasionalmente di un giorno, ma non da estate a inverno. Non può neppure compensare una settimana di tempo calmo e nuvoloso: ciò richiede stoccaggio, generazione fissa o importazioni.
Quello che le persone e i mercati limitano:
- Partecipazione e stanchezza. Gli eventi volontari funzionano bene un paio di volte all’anno. Le richieste quotidiane senza automazione perdono persone.
- Il problema di base. Per pagare qualcuno per usare meno, devi stimare quanto avrebbero utilizzato altrimenti. Le linee di base possono essere giocate, e sono difficili da verificare per una famiglia.
- Rimbalzo e nuovi picchi. Il carico spostato da un’ora atterra in un’altra. Se migliaia di caricabatterie iniziano nello stesso momento in cui inizia un periodo economico, possono creare un nuovo picco sui cavi locali. I buoni schemi si sfalsano e randomizzano.
- Equità. Le famiglie con auto, pompe di calore e contatori intelligenti possono trarre vantaggio dalla flessibilità; quelle senza non possono. Le tariffe non devono penalizzare le persone che non possono spostarsi, come quelle che si prendono cura di qualcuno a casa.
- Privacy e sicurezza informatica. Un sistema in grado di commutare un milione di dispositivi è un bersaglio. Gli standard, la crittografia e le soluzioni di backup locali sono essenziali.
- Contatori e regolamento. Senza contatori mezz’orali e regole di mercato che pagano per la flessibilità, anche le famiglie disposte non possono essere ricompensate.
Progetti reali, misurati
| Programma | Cosa è stato misurato | Fonte |
|---|---|---|
| Servizio di flessibilità della domanda in Gran Bretagna, inverno 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 | Recensione invernale NESO, 2023 |
| Servizio di flessibilità della domanda in Gran Bretagna, inverno 2023/24 | 2,6 milioni di contatori (99% domestici) attraverso 48 fornitori; 14 test e 2 eventi live; oltre 3,7 GWh consegnati con un picco superiore a 400 MW; spesa totale pari a £11,9 milioni; nei test competitivi l’offerta media accettata è scesa a £1.111 per MWh, con offerte a partire da £150 | Relazione di fine anno NESO, 2024 |
| Risposta alla domanda e centrali elettriche virtuali negli Stati Uniti | Si stima che negli Stati Uniti siano già in funzione da 30 a 60 GW di capacità di centrali elettriche virtuali, per lo più nei programmi di domanda-risposta utilizzati poche volte all’anno | US DOE, Percorsi verso il lancio commerciale: centrali elettriche virtuali, 2023 |
| Potenziale degli Stati Uniti entro il 2030 | Circa 200 GW di flessibilità di carico a costi contenuti, il 20% del picco, più di tre volte i 60 GW di risposta alla domanda allora disponibili, per un valore di oltre 15 miliardi di dollari all’anno in costi evitati | Il Giardino delle Rose, 2019 |
| Obiettivo USA | Da 80 a 160 GW di centrali elettriche virtuali entro il 2030, dal 10 al 20% della domanda di picco, con un risparmio dell’ordine di 10 miliardi di dollari all’anno in costi di rete | US DOE, 2023 |
Il servizio della Gran Bretagna è il più chiaro record pubblico su larga scala finora. In due inverni è passato da una misura di emergenza a uno strumento di routine: il numero dei fornitori è cresciuto del 58%, le iscrizioni hanno raggiunto i 2,6 milioni di metri e una volta che i fornitori si sono dovuti confrontare nei test il prezzo medio accettato è sceso a circa £1.100 per MWh, contro £3.000 nei test del primo inverno. Mostra anche la scala: 400 MW al picco è circa la dimensione di una grande unità alimentata a gas, fornita da milioni di case, la maggior parte delle quali operano manualmente.
Quanto costa
La flessibilità non si compra con il chilowattora come la produzione di una centrale elettrica. Si compra al kilowatt di picco che toglie, all’anno, perché è quello che sostituisce: impianti e batterie costruite per stare pronte per qualche decina d’ore.
| Opzione per coprire un picco | Misura dei costi | Fonte |
|---|---|---|
| Impianto di picco del gas, nuovo | $0.110 to $0,228 per kWh prodotto, funzionante solo ai picchi | Lazard LCOE+, 2024 |
| Picco di gas, batteria su scala industriale e VPP residenziale, 400 MW di affidabilità per un’utility statunitense modellata | Il costo netto del VPP per l’utility è di circa il 40% del picco di gas e il 60% della batteria. $43 million for gas, $29 milioni per le batterie e $2 milioni per il VPP | Brattle, Affidabilità reale, 2023 |
| Riduzione della domanda di emergenza delle famiglie, Gran Bretagna | Da 1.111 a 4.559 £ per MWh fornito, per poche ore in inverno | NESO, 2023 e 2024 |
| Il tetto solare su un edificio, il nostro punto di riferimento generazionale | $0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 to $0.20 | Il nostro Modello Fan Wall; Lazard, 2026 |
Da questa tabella emergono due lezioni. In primo luogo, per kWh, le riduzioni dei picchi di produzione sembrano costose, ma un impianto di picco è anche costoso per kWh perché funziona così raramente; per kW di affidabilità, le case flessibili sono l’opzione più economica negli studi sopra citati e Brattle stima che una distribuzione di 60 GW negli Stati Uniti potrebbe soddisfare i futuri bisogni di affidabilità per $15 to $35 miliardi in meno in dieci anni rispetto alle alternative. In secondo luogo, la flessibilità non compete con il nostro benchmark solare su tetto, ma lo completa. Il solare produce di più a mezzogiorno; la flessibilità sposta l’utilizzo in quelle ore, il che aumenta il valore di ogni pannello e riduce la necessità di batterie.
Dove può vincere e dove non può
Si può vincere:
- Grid con molto solare, dove i prezzi di mezzogiorno scendono verso lo zero e i picchi serali sono costosi.
- Case con riscaldamento elettrico, serbatoi di acqua calda, pompe di calore o auto elettriche, i carichi che immagazzinano energia per natura.
- Reti locali vicine ai loro limiti, dove la gestione del momento in cui le auto si caricano può posticipare nuovi cavi e trasformatori; il DOE degli Stati Uniti nota che gli studi californiani hanno scoperto che una ricarica più fluida potrebbe ridurre gli investimenti di distribuzione entro il 2035 da fino a $50 billion to $15 a $20 miliardi.
- Aziende con processi termici: celle frigorifere, pompaggio di acqua, riscaldamento e raffreddamento di grandi edifici.
Non può vincere:
- Lunghi periodi di calma e buio. Gli orari di spostamento non possono coprire una settimana senza vento in inverno.
- Carichi che devono funzionare ora: ospedali, illuminazione, cucina, la maggior parte dell’industria con tempi stretti.
- Senza contatori e regole giuste. Dove i contatori vengono letti una volta al mese e le tariffe sono piatte, non c’è nulla a cui rispondere e nessun modo di essere pagati.
Ciò che è provato, plausibile e speculativo
Provato: milioni di famiglie risponderanno agli eventi di picco quando saranno ricompensate (Gran Bretagna, dal 2022 al 2024); scaldabagni, termostati, caricabatterie e batterie possono essere controllati da remoto su scala; le centrali elettriche virtuali forniscono già decine di gigawatt negli Stati Uniti; lo spostamento del carico in ore in eccesso riduce la riduzione e le emissioni quando l’impianto marginale è fossile.
Plausibili: che la flessibilità domestica automatizzata può essere affidabile quanto una centrale elettrica per l’adeguatezza delle risorse (modellazione di Bratle, non ancora un decennio di dati operativi); che la flessibilità può fornire dal 10 al 20% della domanda di picco entro il 2030 negli Stati Uniti; che la maggior parte delle famiglie con pompe di calore e auto elettriche accetterà il controllo automatico se la sovrascrittura è facile e i risparmi sono visibili.
Speculativo: Flessibilità quotidiana tutto l’anno dalla maggior parte delle case senza affaticamento; risultati equi per le famiglie senza dispositivi flessibili; flessibilità su larga scala senza nuovi rischi per la sicurezza.
Domande di ricerca aperte
- Come si dovrebbe stimare una baseline in modo equo ed economico per una famiglia, e quanto errore è accettabile?
- Quanti sono Eventi per anno Le persone accetteranno, e come l’automazione cambierà questo?
- Come preveniamo Sincronizzato rebound picchi Quando molti dispositivi rispondono allo stesso prezzo?
- Qual è il vero Flessibilità termica Qual è il consumo energetico delle abitazioni ordinarie con pompe di calore, e come cambia con l’isolamento e la temperatura esterna?
- Quali progetti tariffari condividono i benefici in modo equo con le persone che non possono spostarsi?
- Come può essere la flessibilità verificato sulle reti locali, non solo sulla rete nazionale?
Di cosa avrebbe bisogno un prototipo funzionante
Per flessibilità, un modello di lavoro non è un disegno di un’app. Si tratta di uno spostamento misurato del carico reale su dispositivi reali: kWh spostati, kW di picco tagliato, con un gruppo di confronto, nell’arco di una stagione intera. L’attrezzatura è economica; il rigore è quello che costa.
| Fase | Lavoro | La decisione che permette | Costo approssimativo | Tempo |
|---|---|---|---|---|
| 0. Design e progettazione | Scegli il carico (ad esempio serbatoi di acqua calda), il segnale (prezzo, intensità di carbonio o evento di rete), la misurazione, il consenso e un piano statistico con un gruppo di controllo | L’effetto è abbastanza grande da misurare con le case disponibili? | $5k to $15k | 1 a 2 mesi |
| 1. banco e test a casa | Controller su 5-10 dispositivi reali, misurazione ogni mezz’ora, comfort logging | Il dispositivo cambia in modo affidabile e le persone lo sovrascrivono? | $10k to $30k | 3 mesi |
| 2. Modello di lavoro | Da 50 a 200 abitazioni con un gruppo di controllo corrispondente per un inverno o un’estate, analisi indipendente dei kWh spostati e dei kW tagliati | Misurazione della flessibilità per casa, partecipazione e soddisfazione | $50k to $200k | Da 6 a 9 mesi |
| 3. Market pilot | Iscrivi le case aggregate con un programma di fornitore o operatore di rete e ricevi il pagamento per la flessibilità fornita | Ricavi per casa, costo per kW-anno, in linea con le regole di mercato | $150k to $500k | 12 mesi |
Di chi abbiamo bisogno
- Ingegneri di sistemi energetici che sanno come la flessibilità viene spedita, misurata e regolata.
- Data scientist e statistici Per linee di base, gruppi di controllo e verifica.
- Scienziati comportamentali per progettare offerte che le persone comprendono e continuano a utilizzare.
- Ingegneri embedded e di sicurezza per controller sicuri, privati e che funzionano offline.
- Spezialisti in riscaldamento, acqua calda e ricarica di veicoli elettrici.
- Esperti normativi e tariffari Chi può aprire i mercati a piccoli carichi flessibili.
- Organizzatori di comunità e consigli locali che possono reclutare famiglie in modo equo, compresi quelli a basso reddito.
Hai un’idea migliore?
Alcuni membri della Fondazione potrebbero avere contatti che potrebbero ascoltare un pitch per una forte idea energetica. Per essere presentata, un’idea ha bisogno di Modello di lavoro, reale, con i suoi risultati misurati su uno strumento, non rivendicato. Per la flessibilità, ciò significa dispositivi reali in case o edifici reali, con kWh misurati spostati e kW di picco tagliato, rispetto alle case che non hanno fatto nulla. Anche le idee cartacee sono benvenute: se la fisica e i numeri sono solidi, possiamo pubblicarle qui sul sito. Ma raccogliere capitali senza un modello di lavoro è molto difficile, e nulla qui è una promessa di finanziamento, rendimenti o introduzioni.
Invia la tua idea o i risultati della tua sperimentazione attraverso il modulo di contributo: il problema che risolve, il carico e il segnale, lo spostamento misurato o stimato, un costo approssimativo per kW o per casa, e il test più economico che potrebbe dimostrare che è sbagliato. Per altre indicazioni, vedi alternative energetiche a confronto.
Fonti
- Il Gruppo Brattle (giugno 2019). Il potenziale nazionale per la flessibilità del carico: valore e potenziale di mercato fino al 2030.
- Hledik, R. and Peters, K., Il Gruppo Brattle (maggio 2023). Reale Affidabilità: Il Valore della Potenza Virtuale, preparato per Google.
- Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (settembre 2023). Percorsi verso il lancio commerciale: centrali elettriche virtuali.
- Operatore nazionale del sistema energetico (ex ESO) (agosto 2023). Recensione del servizio di flessibilità della domanda invernale 2022/23.
- Gestore nazionale del sistema energetico (2024). Relazione di fine anno del servizio di flessibilità della domanda inverno 2023/24; Panoramica dei servizi.
- California ISO (2016). Cosa ci dice la curva dell’anatra sulla gestione di una griglia verde.
- Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. e Salpakari, J. (2015). Riesame delle misure di flessibilità del sistema energetico per consentire livelli elevati di elettricità rinnovabile variabile. Revisioni di energia rinnovabile e sostenibile 45, 785-807.
- Albadi, M.H. e El-Saadany, E.F. (2008). Una sintesi della domanda di risposta nei mercati dell’energia elettrica. Rivista di Scienze della Terra 78, 1989-1996.
- Lazard (giugno 2024). Costo dell’energia livellato+, versione 17: picco del gas $110 to $228 per MWh. L’edizione di giugno 2026 fornisce la gamma solare commerciale sul tetto utilizzata come nostro riferimento.
- Local Solar System Fondazione. The Fan Wall: ricerca sul vento a cielo aperto, per il benchmark solare sui tetti di $ 0,19 per kWh.