Paklausos lankstumas

Kiekvienas elektros energijos tinklas turi kiekvieną sekundę suderinti pasiūlą ir paklausą. Šį šimtmetį tai buvo daroma reguliuojant tiekimą: anglies, dujų ir hidroelektrinės sekė tuo, ką žmonės nuspręsdavo įjungti. Vėjo ir saulės energijos negalima nurodyti, kada gaminti, todėl švariam tinklui reikia, kad kita lygties pusė taip pat justų. Paklausos lankstumas reiškia, kad keičiame kai naudojame elektros energiją ir kartais kiek jos naudojame, atsižvelgdami į kainas, signalus ar automatinį valdymą, neatimdami paslaugų, kurių norime: karšto vandens, šiltų namų, įkrauto automobilio, švarių indų.

Tai yra vienintelė energijos alternatyva mūsų sąraše, kuri visiškai nesukuria jokios energijos. Būtent todėl tai svarbu. ** Kilovatvalanda, perkelta iš vakaro piko į saulėtą popietę, gali pakeisti dujų gamyklos produkciją ir išsaugoti saulės energiją, kuri kitaip būtų išmesta, už valdiklio kainą ir sąžiningą tarifą. Ji jau veikia milijonų namų mastu. Jo ribos yra pasitikėjimas, matavimas ir žmonių, kurių prašoma dalyvauti, kantrybė, o ne fizika. **

Kas tai yra

Paklausos lankstumas apima viską, kas leidžia elektros energijos vartojimui priklausyti nuo pasiūlos, o ne atvirkščiai. Inžinieriai jį suskirsto į keturias rūšis:

• Shift: perkelti naudojimą į kitą valandą nekeičiant bendros sumos. Vidurdienį pašildykite karšto vandens baką, per naktį įkraukite automobilį, paleiskite indaplovę, kai pučia stiprus vėjas.
• Šešėlis: sumažinkite naudojimą trumpam laikui ir priimkite šiek tiek mažiau paslaugų, pavyzdžiui, termostatas vienu laipsniu žemiau valandai žiemos piko metu.
• Forma: pakeiskite kasdienį modelį, taikydami tarifus, kurie kai kurias valandas padaro pigesnes nei kitas, pvz., naudojimo laiko arba pusvalandžio kainas.
• Shimmy: greiti, nedideli koregavimai per kelias sekundes ar minutes, kurie padeda išlaikyti tinklo dažnį stabilų, kurį vandens šildytuvai, baterijos ir automobilių įkrovikliai gali padaryti niekam nepastebint.

Kai tūkstančiai tokių įrenginių yra koordinuojami programinės įrangos ir pateikiami tinklui kaip vienas išteklius, rezultatas vadinamas virtualiąja jėgaine: ji elgiasi kaip elektrinė piko metu, tik ji sudaryta iš namų. Šios srities apžvalgose aprašomas visas įrankių rinkinys ir kaip lankstumas papildo saugojimą ir stipresnius tinklus (Lund et al., 2015; Albadi and El-Saadany, 2008).

Kaip tai veikia

Anties kreivė. Saulėtą pavasario dieną regione, kuriame yra daug saulės energijos, poreikis, kurį turi patenkinti kiti augalai, vadinamas grynąja apkrova, dienos viduryje sumažėja ir vakare staigiai pakyla, kai saulė nusileidžia ir žmonės grįžta namo. Per dieną nubrėžta kreivė atrodo kaip antis, forma, kurią išgarsino Kalifornijos tinklo operatorius (CAISO, 2016). Stačias vakarinis nuolydis ir piko valandos yra brangiausios aptarnavimo valandos; vidurdienio pilvas reiškia, kad saulės ūkiai išjungiami arba sumažinami dėl paklausos stokos.


Paprasta aritmetika. Trys skaičiai apibūdina, ką daro lankstumas, o aukščiau pateiktas paaiškinimas apskaičiuoja juos iliustruojant miesto dydžio tinklelį.

• Piko grynoji apkrova, didžiausias atotrūkis tarp paklausos ir vėjo bei saulės. Jame nustatoma, kiek dujų įrenginių, baterijų ar importo turi būti paruošta. Iš vakarų išeinančia apkrova ji sumažėja.
• Curtailment, švarios energijos pagamintas, bet nenaudojamas. Perkelti apkrovą į saulėtas valandas jį naudoja.
• Anglies dioksido intensyvumas, vidutinis išmetamų teršalų kiekis vienai suvartotai kWh. Jei tarpas užpildomas dujomis, kurių CO2 kiekis yra maždaug 450 g/kWh, kiekviena iš tarpo į perteklių perkelta kWh sutaupo apie 450 g.

Pavyzdyje nukreipus keturias apkrovas, kurios kartu sunaudoja 300 MWh per dieną (apie vieną septintadalį miesto poreikio), vakarų piko metu dujų poreikis sumažėja nuo maždaug 112 MW iki 61 MW, sumažinamas saulės ir vėjo energijos kiekis nuo maždaug 580 iki 380 MWh, o anglies dioksido intensyvumas sumažėja nuo maždaug 130 iki 90 g/kWh. Naudojama energija yra lygiai tokia pati. Formos yra iliustratyvios, tačiau mechanizmas yra tas, kuriuo pasitiki tinklo operatoriai.

Kodėl kai kurios apkrovos yra idealios. Gera lanksti apkrova kaupia energiją arba turi laisvą laiką:

• Vandens šildytuvai yra terminiai akumuliatoriai: 200 litrų talpos bake, pašildytame iki 40 °C, telpa apie 9 kWh. Šildymas vidurdienį, o ne auštant nieko nekeičia dušo metu.
• Elektriniai automobiliai Didžiąją dienos dalį automobilis stovi vietoje, o įprastai kasdien nuvažiuojant 30–50 km reikia tik apie 5–10 kWh. Dešimčiai valandų į elektros tinklą prijungtas automobilis turi būti įkrautas vienai ar dviem iš jų, ir jis gali pasirinkti, kurią.
• Šilumos siurbliai gerai izoliuotame name gali iš anksto pašildyti namą po pietų ir kranto per vakarinį piko laiką su paties pastato masė kaip saugykla.
• Indaplovės, skalbimo mašinos ir džiovyklės reikia pabaigos laiką, o ne pradžios laiką.

Kontrolė, o ne valia. Prašymas žmonėms stebėti tinklelį nėra ilgalaikis. Išmatuotos sėkmės istorijos sujungia aiškią kainą arba atlygį su automatizacija: išmanusis termostatas, įkroviklis ar vandens šildytuvo valdiklis, kuris seka signalą ir lengvai perjungiamas. Didžiosios Britanijos poreikio lankstumo tarnyboje daugiau nei 99% dalyvių 2023/24 m. Žiemą vis dar atsakė rankiniu būdu (NESO, 2024), o tai yra įspūdingas pilietinis įsitraukimas ir taip pat priežastis, kodėl svarbi automatizacija: rankos pavargsta, valdikliai neturi.

Ribos: teorinės ir praktinės

Kokios fizikos ribos. Lankstumą riboja saugojimas tarnyboje: kiek valandų bakas išlieka karštas, kaip ilgai namas išlieka šiltas, kiek automobiliui reikia ryte. Jis gali perkelti energiją valandomis, kartais diena, bet ne nuo vasaros iki žiemos. Ji taip pat negali kompensuoti savaitės ramio, debesuoto oro: tam reikia saugojimo, įmonės gamybos arba importo.

Ką riboja žmonės ir rinkos:

• Dalyvavimas ir nuovargis. Savanoriški renginiai gerai veikia kelis kartus per žiemą. Kasdieniniai prašymai be automatizavimo praranda žmones.
• Bazinė problema. Norėdami kam nors sumokėti už mažiau naudojamą energiją, turite įvertinti, kiek jie būtų panaudoję kitaip. Baziniai rodikliai gali būti netikslūs, ir juos sunku patikrinti vienam namų ūkiui.
• Atsitraukimas ir naujos viršūnės. Apkrova, perkelta iš vienos valandos į kitą. Jei tūkstančiai įkroviklių pradės veikti tuo pačiu metu, kai prasideda pigus laikotarpis, jie gali sukurti naują vietinio kabelio piko laiką. Geros schemos yra paslankios ir atsitiktinės.
• Sąžiningumas. Namų ūkiai, turintys automobilius, šilumos siurblius ir pažangiuosius skaitiklius, gali gauti naudos iš lankstumo; tie, kurie jų neturi, negali. Tarifai neturi bausti žmonių, kurie negali persikelti, pvz., tų, kurie rūpinasi kuo nors namuose.
• Privatumas ir kibernetinis saugumas. Sistema, kuri gali perjungti milijoną įrenginių, yra taikinys. Standartai, šifravimas ir vietiniai atsarginiai sprendimai yra būtini.
• Matavimas ir atsiskaitymas. Be pusvalandžio skaitiklių ir rinkos taisyklių, kurios atlygina už lankstumą, net norintys namų ūkiai negali būti apdovanoti.

Realūs projektai, išmatuoti

Programa	Kas buvo išmatuota	Šaltinis
Didžiosios Britanijos poreikio lankstumo paslauga, 2022/23 m. žiema	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 žiemos apžvalga, 2023
Didžiosios Britanijos paklausos lankstumo paslauga, 2023/24 m. žiema	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 metų pabaigos ataskaita, 2024
JAV paklausos valdymas ir virtualios elektrinės	JAV jau veikia nuo 30 iki 60 GW virtualių elektrinių, daugiausia vykdant poreikio valdymo programas, kurios naudojamos kelis kartus per metus.	JAV DOE, keliai į komercinį paleidimą: virtualios elektrinės, 2023 m.
JAV potencialas iki 2030 m.	Apie 200 GW ekonomiškos apkrovos lankstumo, 20 % piko, daugiau nei tris kartus didesnis už tuomet turimus 60 GW poreikio valdymo pajėgumus, vertingas daugiau kaip 15 mlrd. USD per metus išvengtų sąnaudų	Brattle, 2019
JAV tikslas	80–160 GW virtualių elektrinių iki 2030 m., 10–20 % didžiausios paklausos, sutaupant apie 10 mlrd. JAV dolerių per metus tinklo išlaidų	JAV energetikos ministerija, 2023

Didžiosios Britanijos tarnyba yra aiškiausias didelio masto viešas įrašas iki šiol. 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. Tai taip pat parodo mastą: 400 MW didžiausio pajėgumo yra maždaug vieno didelio dujomis kūrenamo įrenginio dydis, kurį tiekia milijonai namų ūkių, dauguma jų veikiantys rankomis.

Kiek tai kainuoja

Lankstumas neperkamas už kilovatų valandą, kaip elektrinės galia. Ji perkama už kilovatą, kurį ji pašalina per metus, nes tai yra tai, ką ji pakeičia: įrenginiai ir baterijos, sukurti tam, kad būtų pasirengę keletui dešimčių valandų.

Galimybė padengti piko	Sąnaudų priemonė	Šaltinis
Dujų picos įrenginys, naujas	$0.110 to $0,228 už pagamintą kWh, veikiant tik piko metu	Lazard LCOE+, 2024
Dujų piko, komunalinių paslaugų akumuliatorius ir gyvenamųjų namų VPP, 400 MW patikimumas modeliuojamai JAV komunalinei įmonei	VPP grynosios išlaidos komunalinėms paslaugoms sudaro apie 40% dujų piko ir 60% baterijų.Skaičiuojant emisijas ir atsparumą, metinės grynosios išlaidos yra apie $43 million for gas, $29 milijonai baterijų ir 2 milijonai dolerių už VPP	Brattle, Realus patikimumas, 2023
Skubus namų ūkių paklausos mažinimas, Didžioji Britanija	£1,111 to £4,559 per MWh delivered, for a few hours a winter	NESO, 2023 ir 2024
Saulės energija ant pastato stogo – mūsų kartos pavyzdys	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0,09–0,20 USD	Mūsų Ventiliatoriaus sienos modelis; Lazard, 2026

Iš šios lentelės galima išmokti dvi pamokas. Pirma, vienam kWh piko metu sumažinimas atrodo brangus, tačiau didžiausia jėgainė taip pat yra brangi už kWh, nes ji veikia taip retai; kW patikimumo atžvilgiu lankstūs namai yra pigiausias variantas pirmiau minėtų tyrimų metu, o Brattle apskaičiavo, kad 60 GW JAV diegimas galėtų patenkinti būsimus patikimumo poreikius $15 to $35 milijardais mažiau per dešimt metų nei alternatyvos. Antra, lankstumas nekonkuruoja su mūsų stogo saulės energijos etaloniniu rodikliu, jis jį papildo. Saulės energija gaminama daugiausia vidurdienį; lankstumas perkelia naudojimą į tas valandas, o tai padidina kiekvienos plokštės vertę ir sumažina baterijų poreikį.

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Tinklai su daugybe saulės, kur vidurdienio kainos nukrenta iki nulio, o vakarinės piko valandos yra brangios.
• Namai su elektriniu šildymu, karšto vandens bakais, šilumos siurbliais ar elektriniais automobiliais – tai energijos saugojimo iš prigimties apkrovos.
• Vietiniai tinklai prie jų ribų, kur valdymas, kai automobiliai įkraunami, gali atidėti naujus kabelius ir transformatorius; JAV DOE pažymi Kalifornijos tyrimus, nustatančius, kad sklandesnis įkrovimas iki 2035 m. Gali sumažinti paskirstymo investicijas nuo $50 billion to $15-20 milijardų dolerių.
• Verslas su šiluminiais procesais: šaldymo sandėliai, vandens siurbimas, didelių pastatų šildymas ir vėsinimas.

Jis negali laimėti:

• Ilgas ramus, tamsus laikotarpis. Pakeitus valandas negalima padengti be vėjo savaitės žiemą.
• Apkrovos, kurios turi veikti dabar: ligoninės, apšvietimas, virimas, dauguma pramonės šakų pagal griežtus tvarkaraščius.
• Be matavimo ir sąžiningų taisyklių. Kur skaitikliai nuskaitomi kartą per mėnesį, o tarifai yra vienodi, nėra nieko, į ką būtų galima reaguoti ir kaip sumokėti.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Patikrinta: milijonai namų ūkių reaguos į piko metu vykstančius įvykius, kai bus atlyginta (Didžioji Britanija, 2022–2024 m.); vandens šildytuvus, termostatus, įkroviklius ir baterijas galima valdyti nuotoliniu būdu; virtualios elektrinės jau tiekia dešimtis gigavatų JAV; perkėlus apkrovą į perteklines valandas sumažinamas suvaržymas ir išmetamųjų teršalų kiekis, kai ribinė jėgainė yra iškastinio kuro.

Tikėtina: kad automatizuotas namų lankstumas gali būti toks pat patikimas kaip elektrinė, atsižvelgiant į išteklių pakankamumą (Brattle modeliavimas, dar ne dešimtmečio veikimo duomenys); kad lankstumas gali suteikti 10-20% didžiausios paklausos iki 2030 m. JAV; kad dauguma namų ūkių su šilumos siurbliais ir elektriniais automobiliais priims automatinį valdymą, jei perjungimas yra lengvas ir taupymai matomi.

Spekuliacinis: ištisus metus, kasdienis lankstumas iš daugumos namų be nuovargio; sąžiningi rezultatai namų ūkiams be lanksčių įrenginių; didelio masto lankstumas be naujų saugumo pavojų.

Atviri tyrimo klausimai

• Kaip turėtų būti bazinė Kaip galima sąžiningai ir pigiai apskaičiuoti namų ūkio energijos suvartojimą, ir kokia paklaida yra priimtina?
• Kiek įvykių per metus žmonės priims ir kaip automatizavimas tai pakeis?
• Kaip išvengti sinchronizuotų atsigavimo piko, kai daugelis įrenginių reaguoja į tą pačią kainą?
• Koks yra tikrasis paprastų namų su šilumos siurbliais terminis lankstumas ir kaip jis keičiasi dėl izoliacijos ir lauko temperatūros?
• Kurie tarifo dizainai sąžiningai dalijasi nauda su žmonėmis, kurie negali pereiti?
• Kaip lankstumas gali būti patvirtinta vietos tinkluose, o ne tik nacionaliniame tinkle?

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Siekiant lankstumo, darbo modelis nėra programos brėžinys. Tai išmatuotas realios apkrovos pasikeitimas realiuose įrenginiuose: perkelti kWh, kW piko nutraukimo, su palyginimo grupe, per visą sezoną. Įranga yra pigi, o griežtumas kainuoja.

Fazė	Darbas	Sprendimas, kurį jis leidžia	Apytikslė kaina	Laikas
0. Dizainas	Pasirinkite apkrovą (pvz., karšto vandens rezervuarus), signalą (kainą, anglies dioksido intensyvumą arba tinklo įvykį), matavimą, sutikimą ir statistinį planą su kontroline grupe	Ar poveikis yra pakankamai didelis, kad būtų galima išmatuoti su turimais namais?	$5k to $15k	1-2 mėnesiai
1. Sėdimojo ir namų bandymo	Valdikliai 5-10 realių įrenginių, pusvalandžio matavimas, komforto registravimas	Ar prietaisas patikimai perjungia, ir ar žmonės jį nepaisys?	$10k to $30k	3 mėnesiai
2. Darbinis modelis	50–200 namų su atitinkama kontroline grupe vienai žiemai arba vasarai, nepriklausoma kWh perkėlimo ir kW sumažinimo analizė	Išmatuotas lankstumas vienam namui, dalyvavimas ir pasitenkinimas	$50k to $200k	6-9 mėnesiai
3. Rinkos bandomasis projektas	Įregistruokite agregatus namuose tiekėjo ar tinklo operatoriaus programoje ir gaukite užmokestį už suteiktą lankstumą	Pajamos vienam namų ūkiui, kaina už kW per metus, atitinkanti rinkos taisykles	$150k to $500k	12 mėnesių

Ko mums reikia

• Energijos sistemų inžinieriai, kurie žino, kaip lankstumas yra išsiųstas, išmatuotas ir sureguliuotas.
• Duomenų mokslininkai ir statistika pradiniams duomenims, kontrolinėms grupėms ir patikrai.
• Elgsenos mokslininkai kuria pasiūlymus, kuriuos žmonės supranta ir nuolat naudoja.
• Įterptųjų ir saugumo inžinieriai valdikliams, kurie yra saugūs, privatūs ir dirba neprisijungę.
• Šildymo, karšto vandens ir elektromobilių įkrovimo specialistai.
• Reguliavimo ir tarifų ekspertai, kurie gali atverti rinkas mažiems lankstiems kroviniams.
• Bendruomenių organizatoriai ir vietos tarybos, kurie gali sąžiningai įdarbinti namų ūkius, įskaitant tuos, kurie turi mažas pajamas.

Turite geresnę idėją?

Kai kurie fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti stiprios energijos idėjos idėją. Kad būtų pateikta, idėjai reikia veikiančio, realaus gyvenimo modelio, kurio rezultatai būtų išmatuoti prietaisu, o ne teigiami. Lankstumo požiūriu tai reiškia tikrus įrenginius tikruose namuose ar pastatuose, kai pakeičiamas kWh matavimas ir sumažinamas didžiausias kW skaičius, palyginti su namais, kurie nieko nepadarė. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Tačiau pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir niekas čia nėra finansavimo, grąžos ar įvedimo pažadas.

Siųskite savo idėją ar bandymų rezultatus per įnašo formą: problemą, kurią ji išsprendžia, apkrovą ir signalą, išmatuotą arba apskaičiuotą poslinkį, apytikslę kainą už kW arba namuose, ir pigiausias testas, kuris galėtų įrodyti, kad jis neteisingas. Kitos kryptys, žr energijos alternatyvos palyginti.

Šaltiniai

1. The Brattle Group (2019 m. birželis). Nacionalinis apkrovos lankstumo potencialas: vertė ir rinkos potencialas iki 2030 m..
2. Hledik, R. ir Peters, K., The Brattle Group (2023 m. gegužės mėn.). Realus patikimumas: virtualios galios vertė, parengtas Google.
3. US Department of Energy (September 2023). Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants.
4. Nacionalinis energetikos sistemos operatorius (buvęs ESO) (2023 m. rugpjūtis). Paklausos lankstumo paslaugų žiemos apžvalga 2022/23.
5. Nacionalinės energetikos sistemos operatorius (2024 m.). Paklausos lankstumo paslaugų 2023/24 metų žiemos pabaigos ataskaita; paslaugų apžvalga.
6. Kalifornijos ISO (2016 m.) Ką ančių kreivė mums pasako apie žaliojo tinklo valdymą.
7. Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. and Salpakari, J. (2015). Energetikos sistemos lankstumo priemonių peržiūra, siekiant užtikrinti didelį kintamos atsinaujinančiųjų išteklių elektros energijos kiekį. Atsinaujinančiųjų išteklių ir tvarios energijos apžvalgos 45, 785-807.
8. Albadi, M.H. ir El-Saadany, E.F. (2008). Paklausos valdymo elektros energijos rinkose santrauka. Elektros energijos sistemų tyrimai 78, 1989-1996.
9. Lazard (June 2024). Levelized Cost of Energy+, versija 17: dujų piko kaina $110 to $228 už MWh. 2026 m. Birželio mėn. Leidinyje pateikiamas komercinis stogo saulės energijos diapazonas, naudojamas kaip mūsų etalonas.
10. Local Solar System Fondas. Ventiliatoriaus siena: atviro vėjo tyrimai, stogo saulės energijos lyginamoji vertė yra 0,19 USD už kWh.