Fleksibilitet i etterspørselen

Hvert strømnett må matche tilbud og etterspørsel hvert sekund. I et århundre ble dette gjort ved å justere forsyningen: kull-, gass- og vannkraftverk fulgte hva folk valgte å slå på. Vind og sol kan ikke fortelle når de skal produsere, så et rent nett trenger den andre halvparten av ligningen til å bevege seg også. Etterspørselsfleksibilitet betyr å endre når vi bruker strøm, og noen ganger hvor mye, som svar på priser, signaler eller automatisk styring, uten å gi opp den tjenesten vi ønsker: varmt vann, et varmt hjem, en ladet bil, rene tallerkener.

Det er det eneste energialternativet på listen vår som ikke produserer noen energi i det hele tatt. Det er nettopp derfor det betyr noe. **En kilowatttime flyttet fra kveldstoppen til en solrik ettermiddag kan erstatte et gassanleggs produksjon og redde solenergi som ellers ville blitt kastet bort, for prisen på en kontroller og en rettferdig tariff. Det fungerer allerede i omfanget av millioner av hjem. Dens grenser er tillit, måling og tålmodigheten til de som blir bedt om å delta, ikke fysikk. **

Hva det er

Etterspørselsfleksibilitet omfatter alt som gjør at strømforbruket følger tilbudet i stedet for omvendt. Ingeniører grupperer det i fire typer:

• Shift: flytter bruk til en annen time uten å endre totalen. Varm opp en varmtvannstank midt på dagen, lad bilen over natten, kjør oppvaskmaskinen når vinden er sterk.
• Skuffe: reduser bruk i en kort periode og godta litt mindre service, for eksempel en termostat en grad lavere i en time under en vintertopp.
• Shape: endre hverdagsmønsteret gjennom tariffer som gjør noen timer billigere enn andre, for eksempel brukstid eller halvtimespriser.
• Shimmy: raske, små justeringer i løpet av sekunder eller minutter som bidrar til å holde nettets frekvens stabil, noe varmtvannsberedere, batterier og billader kan gjøre uten at noen legger merke til.

Når tusenvis av slike enheter koordineres av programvare og tilbys til nettet som én ressurs, kalles resultatet et virtuelt kraftverk: det oppfører seg som et kraftverk på toppen, bortsett fra at det er laget av hjem. Anmeldelser av feltet beskriver hele verktøykassen og hvordan fleksibilitet utfyller lagring og sterkere nett (Lund et al., 2015; Albadi og El-Saadany, 2008).

Slik fungerer det

Ankekurven. På en solrik vårdag i et område med mye sol, synker kravet som andre anlegg må møte, kalt nettbelastning, midt på dagen og stiger deretter bratt om kvelden når solen går ned og folk kommer hjem. Tegnet over en dag, ser kurven ut som en and, en form som ble berømt av California grid-operatør (CAISO, 2016). Den bratte kveldsrampen og topptiden er de dyreste timene å betjene; middagen betyr at solparker slås av, eller innskrenkes, på grunn av mangel på etterspørsel.


Den enkle aritmetikken. Tre tall beskriver hva fleksibilitet gjør, og forklaringen ovenfor beregner dem for et illustrerende rutenett på størrelse med en by.

• Peak nettobelastning, det største gapet mellom etterspørsel og vind pluss sol. Den angir hvor mange gassanlegg, batterier eller importer som må holdes klare. Flytte belastning ut av kvelden senker den.
• Curtailment, den rene energien som produseres men ikke brukes. Flytting av last inn i solskinnstimene bruker den.
• Karbonintensitet, gjennomsnittlig utslipp per kWh som forbrukes. If the gap is filled by gas at about 450 g of CO2 per kWh, every kWh moved from the gap into the surplus saves about 450 g.

I den illustrerende dagen, skifter fire belastninger som til sammen bruker 300 MWh per dag, omtrent en syvendedel av byens etterspørsel, kutter kveldstoppen som gass må dekke fra ca 112 MW til 61 MW, reduserer sol- og vindkraft fra ca 580 til 380 MWh, og senker karbonintensiteten fra ca 130 til 90 g per kWh. Energiforbruket er akkurat det samme. Formene er illustrerende, men mekanismen er den som nettoperatørene stoler på.


Hvorfor noen belastninger er ideelle. En god fleksibel belastning lagrer energi eller har slack i tidsplanen:


• Varmeovner er termiske batterier: en 200 liters tank oppvarmet til 40 °C inneholder ca. 9 kWh. Å varme den opp ved middagstid i stedet for ved daggry endrer ingenting for dusjen.
• Electric cars stand parked for most of the day, and a typical daily drive of 30 to 50 km needs only about 5 to 10 kWh. En bil som er koblet til i ti timer, må lade for en eller to av dem, og den kan velge hvilken.
• Varmepumper og varmevekslere En varmepumpe i et veleisolert hjem kan forvarme huset på ettermiddagen og kjøre gjennom kveldsspissen med bygningens egen masse som lagring.
• Oppvaskmaskiner, vaskemaskiner og tørketromler Jeg trenger en sluttid, ikke en starttid.

Kontroll, ikke viljestyrke. Å be folk om å se på rutenettet varer ikke. De målte suksesshistoriene kombinerer en klar pris eller belønning med automatisering: En smart termostat, lader eller vannvarmerkontroller som følger signalet, med enkel overstyring. I Storbritannias Demand Flexibility Service svarte over 99% av deltakerne vinteren 2023/24 fortsatt for hånd (NESO, 2024), som er imponerende samfunnsengasjement og også grunnen til automatisering betyr noe: hender dekk, kontrollere gjør ikke.

Grensene: teoretisk og praktisk

Hva fysikken begrenser. Fleksibilitet er begrenset av lagring i tjenesten: hvor mange timer en tank holder seg varm, hvor lenge et hus holder seg varmt, hvor mye en bil trenger om morgenen. Den kan forskyve energi med timer, av og til med en dag, men ikke fra sommer til vinter. Det kan heller ikke gjøre opp for en uke med rolig, overskyet vær: det trenger lagring, fast generasjon eller import.

Hva mennesker og markeder begrenser:

• Deltagelse og utmattelse. Frivillige arrangementer fungerer bra noen ganger i løpet av vinteren. Daglige forespørsler uten automatisering mister folk.
• Grunnlinjeproblemet. For å betale noen for å bruke mindre, må du estimere hva de ellers ville ha brukt. Grunnlinjer kan være forfalsket, og de er vanskelig å verifisere for én husholdning.
• Rebound og nye topper. Last som er flyttet ut av en time lander i en annen. Hvis tusenvis av ladere starter samtidig som en billig periode begynner, kan de skape en ny topp på lokale kabler. Gode ordninger forskyves og randomiseres.
• Rettferdighet. Husholdninger med biler, varmepumper og smartmålere kan tjene på fleksibilitet, de uten kan ikke. Tariffene må ikke straffe folk som ikke kan skifte, for eksempel de som pleier noen hjemme.
• Personvern og cybersikkerhet. Et system som kan bytte en million enheter er et mål. Standarder, kryptering og lokale reserveløsninger er avgjørende.
• Måling og oppgjør. Uten halvtimesmålere og markedsregler som lønner seg for fleksibilitet, kan ikke engang villige husholdninger belønnes.


Ekte prosjekter, målt

Program	Hva ble målt	Kilde
Storbritannia etterspørselsfleksibilitetstjeneste, vinteren 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	NESOs vinteroversikt, 2023
Storbritannia etterspørselsfleksibilitetstjeneste, vinteren 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	NESOs årsrapport, 2024
USAs etterspørselsrespons og virtuelle kraftverk	Det er allerede anslått at det finnes 30 til 60 GW virtuell kraftverkskapasitet i drift i USA, hovedsakelig i programmer for etterspørselsrespons som brukes noen ganger i året.	US DOE, Veier til kommersiell oppskyting: Virtuelle kraftverk, 2023
USAs potensial innen 2030	Omtrent 200 GW kostnadseffektiv lastfleksibilitet, 20 % av toppbelastningen, mer enn tre ganger de 60 GW med etterspørselsrespons som da var tilgjengelig, verdt over $15 milliarder i år i unngåede kostnader	Brattle, 2019
USAs mål	80 til 160 GW virtuelle kraftverk innen 2030, 10 til 20 % av toppeffekten, noe som sparer i størrelsesorden $10 milliarder i året i nettkostnader	US DOE, 2023

Storbritannias tjeneste er den klareste storskala offentlige rekorden så langt. 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. Det viser også størrelsen: 400 MW på topp er omtrent på størrelse med en stor gassfyrt enhet, levert av millioner av hjem, de fleste av dem fungerer for hånd.

Hva det koster

Fleksibilitet kjøpes ikke med kilowatt-timen som et kraftverks effekt. Det kjøpes etter hvor mange kilowatt toppeffekt det fjerner per år, fordi det er det det erstatter: anlegg og batterier som er bygget for å stå klar i noen få titalls timer.

Mulighet for å dekke en topp	Kostnadsmål	Kilde
Gasstopp-anlegg, nytt	$0.110 to $0,228 per kWh produsert, kjører bare ved topper	Lazard LCOE+, 2024
Gasstopp, batteri i stor skala og VPP for boliger, 400 MW pålitelighet for et modellert amerikansk kraftverk	Nettokostnadene til kraftselskapet for VPP er omtrent 40 % av gass- og 60 % av batteriprisen, og med utslipp og fleksibilitet i beregningene blir den årlige nettokostnaden ca. $43 million for gas, $29 millioner for batterier og $2 millioner for VPP	Brattle, ekte pålitelighet, 2023
Nødreduksjon av husholdningenes etterspørsel, Storbritannia	£1,111 to £4,559 per MWh delivered, for a few hours a winter	NESO, 2023 og 2024
Solenergi på taket av en bygning, vår generasjons referanse	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 to $0.20	Vår Viftevegg modell; Lazard, 2026

To leksjoner kommer ut av det bordet. For det første, per kWh ser reduksjoner i topptiden dyre ut, men et peak-anlegg er også dyrt per kWh fordi det kjører så sjelden; Per kW pålitelighet er fleksible hjem det billigste alternativet i studiene ovenfor, og Brattle anslår at en 60 GW amerikansk distribusjon kan møte fremtidige pålitelighetsbehov for $15 to $35 milliarder mindre over ti år enn alternativene. For det andre konkurrerer ikke fleksibilitet med vår referanse for solcelleanlegg på taket, den fullfører den. Solenergi produserer mest ved middagstid, og fleksibilitet flytter bruken inn i disse timene, noe som øker verdien av hvert panel og reduserer behovet for batterier.


Hvor den kan vinne, og hvor den ikke kan

Det kan vinne:

• Nett med mye sol, der middagsprisene faller mot null og kveldstopper er dyre.
• Bolig med elektrisk oppvarming, varmtvannstanker, varmepumper eller elbiler, belastningen som lagrer energi av naturen.
• Lokale nettverk nær sine grenser, hvor styring av når biler lader kan utsette nye kabler og transformatorer; US DOE noterer California-studier som viser at jevnere lading kan redusere distribusjonsinvesteringen innen 2035 fra opptil $50 billion to $15 til 20 milliarder dollar.
• Bedrifter med termiske prosesser: kjøleskap, vannpumping, oppvarming og kjøling av store bygninger.

Det kan ikke vinne:

• Lange rolige, mørke perioder. Skiftetider kan ikke dekke en vindløs uke om vinteren.
• Laster som må kjøres nå: sykehus, belysning, matlaging, de fleste industri på stramme tidsplaner.
• Uten måling og rettferdige regler. Der målerne leser av en gang i måneden og tariffene er flate, er det ingenting å svare på og ingen måte å få betalt.


Hva er bevist, sannsynlig og spekulativ

Testet: millioner av husholdninger vil reagere på topptidshendelser når de belønnes (Storbritannia, 2022 til 2024); varmtvannsberedere, termostater, ladere og batterier kan styres eksternt i stor skala; virtuelle kraftverk gir allerede titalls gigawatt i USA; å flytte belastning til overskuddstimer reduserer innskrenkning og utslipp når det marginale anlegget er fossilt.

Plausibelt: at automatisert hjemmefleksibilitet kan være like pålitelig som et kraftverk for ressurstilstrekkelighet (Brattles modellering, ennå ikke ti år med driftsdata); at fleksibilitet kan gi 10 til 20% av toppbehovet innen 2030 i USA; at de fleste husholdninger med varmepumper og elbiler vil akseptere automatisk styring hvis overstyringen er enkel og besparelsene er synlige.

Spekulativ: Helårs, daglig fleksibilitet fra de fleste hjem uten tretthet; rettferdige resultater for husholdninger uten fleksible enheter; storskala fleksibilitet uten nye sikkerhetsrisikoer.

Åpne forskningsspørsmål

• Hvordan skal en baseline estimeres rettferdig og billig for en husholdning, og hvor mye feil er akseptabelt?
• Hvor mange arrangementer per år vil folk akseptere, og hvordan endrer automatisering det?
• Hvordan forebygger vi synkroniserte spretttopper Hva skjer når mange enheter svarer på samme pris?
• Hva er den virkelige Termisk fleksibilitet Hva er den gjennomsnittlige varmekostnaden i vanlige boliger med varmepumper, og hvordan endrer det seg med isolasjon og utetemperatur?
• Hvilke tariffdesign deler fordelene rettferdig med folk som ikke kan skifte?
• Hvordan kan fleksibilitet verifiseres på lokale nett, ikke bare på det nasjonale nettet?

Hva en fungerende prototype ville trenge

For fleksibilitet, er en arbeidsmodell ikke en tegning av en app. Det er en målt endring av reell belastning på ekte enheter: kWh flyttet, kW med topp kutt, med en sammenligningsgruppe, over en hel sesong. Utstyret er billig, men det er strengheten som koster.

Fase	Arbeid	Beslutningen det muliggjør	Grov kostnad	Tid
0. Design	Velg belastning (for eksempel varmtvannstanker), signal (pris, karbonintensitet eller netthendelser), måling, samtykke og en statistisk plan med en kontrollgruppe	Er effekten stor nok til å måle med de tilgjengelige boligene?	$5k to $15k	1 til 2 måneder
1. Benk og hjemmetest	Kontrollere på 5 til 10 ekte enheter, måling hver halvtime, komfortlogging	Skifter enheten pålitelig, og overstyrer folk den?	$10k to $30k	3 måneder
2. Arbeidsmodell	50 til 200 hjem med en matchet kontrollgruppe for én vinter eller sommer, uavhengig analyse av kWh skiftet og kW kuttet	Målt fleksibilitet per hjem, deltakelse og tilfredshet	$50k to $200k	6 til 9 måneder
3. Markedspilot	Registrer de aggregerte hjemmene med et leverandør- eller nettoperatørprogram og få betalt for levert fleksibilitet	Inntekter per husholdning, kostnad per kW-år, tilpasset markedsregler	$150k to $500k	12 måneder


Hvem trenger vi

• Power-systems ingeniører som vet hvordan fleksibilitet sendes, måles og avgjøres.
• Dataforskere og statistikere For baselines, kontrollgrupper og verifisering.
• Atferdsforskere til å designe tilbud folk forstår og fortsetter å bruke.
• Embedded og sikkerhet ingeniører for kontrollere som er trygge, private og arbeider offline.
• Spesialister på oppvarming, varmtvann og lading av elbiler.
• Regulasjons- og tariffeksperter som kan åpne markeder for små fleksible belastninger.
• Arrangører og lokale råd som kan rekruttere husholdninger rettferdig, inkludert de med lave inntekter.

Har du en bedre idé?

Noen medlemmer av Stiftelsen kan ha kontakter som kunne høre en pitch for en sterk energiidé. For å bli pitchet, trenger en idé et Arbeidsmodell, virkelig livsmodell, med sine resultater målt på et instrument, ikke hevdet. For fleksibilitet, betyr det ekte enheter i ekte hjem eller bygninger, med målt kWh skiftet og kW av topp kutt, sammenlignet med hjem som ikke gjorde noe. Papir ideer er også velkomne: hvis fysikken og tallene er solid, kan vi publisere dem her på nettstedet. Men å skaffe kapital uten en fungerende modell er svært vanskelig, og ingenting her er et løfte om finansiering, avkastning eller introduksjoner.

Send din idé eller dine forsøksresultater gjennom bidragsskjemaet: problemet det løser, belastningen og signalet, den målte eller estimerte skiftet, en grov kostnad per kW eller per hjem, og den billigste testen som kan bevise at det er feil. For andre retninger, se energi alternativer sammenlignet.

Kilder

1. The Brattle Group (June 2019). Det nasjonale potensialet for lastfleksibilitet: Verdi og markedspotensial frem til 2030.
2. Hledik, R. og Peters, K., The Brattle Group (mai 2023). Real pålitelighet: Verdien av virtuell kraft, utarbeidet for Google.
3. US Department of Energy (September 2023). Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants.
4. Nasjonal energisystemoperatør (tidligere ESO) (august 2023). Vintergjennomgang av etterspørselsfleksibilitetstjenesten 2022/23.
5. Nasjonalt energisystemoperatør (2024). Forbruksflexibilitetstjeneste vinter 2023/24 årsrapport; tjenesteoversikt.
6. Oslo: Kunnskapsforlaget (2016). Hva andekurven forteller oss om å administrere et grønt rutenett.
7. Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. og Salpakari, J. (2015). Gjennomgang av tiltak for å øke fleksibiliteten i energisystemet og muliggjøre høye nivåer av variabel fornybar elektrisitet. Fornybar og bærekraftig energi Anmeldelser 45, 785-807.
8. I: El-Saadany, E.F. og andre (red.) (2008). En oppsummering av etterspørselsrespons i kraftmarkedene. Tidsskrift for elektroteknikk 78, 1989-1996.
9. Lazard (juni 2024). Nivellert kostnad for energi+, versjon 17: gasstopp $110 to $228 per MWh. Juni 2026-utgaven gir det kommersielle solcelleområdet på taket som brukes som referanse.
10. Local Solar System Stiftelsen. The Fan Wall: open wind research, for solcelletakets referanseverdi på $ 0,19 per kWh.