Гибкость спроса

Каждая энергетическая сеть должна соответствовать спросу и предложению каждую секунду. На протяжении столетия это делалось путем регулирования поставок: угольные, газовые и гидроэлектростанции следовали за тем, что люди выбирали для включения. Нельзя сказать, когда ветер и солнце будут производить энергию, поэтому для создания чистой сети необходимо также перейти к другой половине уравнения. Гибкость спроса означает изменение когда мы используем электроэнергию, а иногда и в каком количестве, в ответ на цены, сигналы или автоматическое управление, не отказываясь от желаемой услуги: горячей воды, теплого дома, заряженной машины, чистой посуды.

Это единственная альтернатива в нашем списке, которая не производит никакой энергии. Именно поэтому это важно. **Киловатт-час, перемещенный из вечернего пика в солнечный день, может заменить выход газовой установки и спасти солнечную энергию, которая в противном случае была бы выброшена, за цену контроллера и справедливый тариф. Она уже работает в масштабах миллионов домов. Его пределами являются доверие, измерение и терпение людей, которых просят принять участие, а не физика.

Что это такое

Гибкость спроса охватывает все, что позволяет использованию электроэнергии следовать предложению, а не наоборот. Инженеры подразделяют его на четыре вида:

• Shift: перенести использование на другой час без изменения общего количества. Нагревайте горячую воду в полдень, заряжайте автомобиль ночью, запускайте посудомоечную машину при сильном ветре.
• Стартер: уменьшить использование на короткое время и принять немного меньше обслуживания, например, термостат на один градус ниже в течение часа во время зимнего пик.
• Shape: изменить повседневную схему с помощью тарифов, которые делают некоторые часы дешевле других, таких как время использования или получасовые цены.
• Shimmy: быстрые, небольшие корректировки в течение секунд или минут, которые помогают поддерживать стабильную частоту сети, которую водонагреватели, батареи и зарядные устройства для автомобилей могут сделать, никто не замечая.

Когда тысячи таких устройств координируются программным обеспечением и предлагаются в сеть как один ресурс, результат называется виртуальной электростанцией: она ведет себя как электростанция в пиковую минуту, за исключением того, что она состоит из домов. В обзорах на местах описывается весь инструментарий и то, каким образом гибкость дополняет хранение и более надежные энергосети (Лунд и др., 2015; Альбади и Эс-Саадани, 2008 год).

Как это работает

Утная кривая. В солнечный весенний день в регионе с большим количеством солнечной энергии спрос, который должны удовлетворить другие заводы, называемый чистой нагрузкой, прогибается в середине дня и затем резко поднимается вечером, когда солнце заходит и люди возвращаются домой. На графике за день кривая выглядит как утка, форма, ставшая известной благодаря оператору калифорнийской сетки (CAISO, 2016). Крупный вечерний спад и пиковые часы являются самыми дорогими часами для обслуживания; полдень означает, что солнечные фермы отключаются или сокращаются из-за отсутствия спроса.

Простая арифметика. Три числа описывают, что делает гибкость, и приведенный выше пояснитель рассчитывает их для иллюстративной сетки размером с город.

• Пиковая чистая нагрузка, самый большой разрыв между спросом и ветром плюс солнечной энергией. В нем указывается, сколько газовых установок, аккумуляторов или импортных поставок должно быть готово к эксплуатации. Перемещение нагрузки из вечера в день снижает его.
• Сокращение, чистая энергия, производимая, но не используемая. Перемещение нагрузки в солнечные часы использует его.
• Углеродная интенсивность, средние выбросы на потребленный кВт.ч. Если разрыв заполняется газом с содержанием CO2 около 450 г на кВт·ч, то каждый кВт·ч, перемещенный из этого разрыва в избыток, позволяет сэкономить примерно 450 г.

В иллюстративный день, смещение четырех нагрузок, которые вместе потребляют 300 МВт/ч в день, около седьмой части спроса города, сокращает вечерний пик, который должен покрывать газ с примерно 112 МВт до 61 МВт, уменьшает ограниченную солнечную и ветровую энергию с примерно 580 до 380 МВт/ч и снижает интенсивность выбросов углерода с примерно 130 до 90 г на кВт/ч. Используемая энергия точно такая же. Формы являются иллюстративными, но механизм является тем, на который полагаются операторы сетей.

Почему некоторые нагрузки являются идеальными. Хорошая гибкая нагрузка хранит энергию или имеет свободный промежуток в своем графике:

• Водонагреватели являются термическими батареями: 200-литровый бак, нагретый до 40 °C, содержит около 9 кВт·ч. Нагревание его в полдень, а не на рассвете ничего не меняет для душа.
• Электромобили автомобили, которые большую часть дня стоят на стоянке, а для проезда 30-50 км в день требуется всего лишь около 5-10 кВт.ч. Автомобиль, подключенный к сети на десять часов, должен заряжаться для одного или двух из них, и он может выбрать, какие.
• Теплонасос в хорошо изолированном доме может предварительно нагреть дом во второй половине дня и брега через вечерний пик с собственной массы здания как хранения.
• Посудомоечные машины, стиральные и сушильные машины нужно время окончания, а не время начала.

Контроль, а не воля. Просить людей следить за сеткой не долговечно. Измеренные истории успеха сочетают четкую цену или вознаграждение с автоматизацией: умный термостат, зарядное устройство или регулятор водонагревателя, который следует сигналу, с легкой перезагрузкой. В британской службе гибкости спроса более 99% участников зимой 2023/24 года все еще отвечали вручную (NESO, 2024), что является впечатляющим гражданским участием и также причиной автоматизации: руки устают, контроллеры не делают.

Пределы: теоретические и практические

Что физика ограничивает. Гибкость ограничена запасом в службе: сколько часов топливный бак остается горячим, как долго дом остается теплым, сколько автомобилю нужно к утру. Она может переносить энергию часами, иногда на день, но не с лета на зиму. Она также не может компенсировать неделю спокойной, облачной погоды: для этого требуется хранение, производство или импорт.

Что ограничивают люди и рынки:

• Участие и усталость. Добровольные мероприятия хорошо работают несколько раз в зимний период. Ежедневные запросы без автоматизации теряют людей.
• The baseline problem. To pay someone for using less, you must estimate what they would have used otherwise. Исходные показатели могут быть условными, и их трудно проверить для одного домохозяйства.
• Откат и новые пики. Нагрузка, вынесенная из одного часа, приземляется в другой. Если тысячи зарядных устройств начнут работать в тот же момент, когда начинается дешевый период, они могут создать новый пик на местных кабелях. Хорошие схемы скатерть и случайным образом.
• Справедливость. Домашние хозяйства с автомобилями, тепловыми насосами и умными счетчиками могут зарабатывать от гибкости; те, кто без них не может. Тарифы не должны наказывать людей, которые не могут передвигаться, например тех, кто ухаживает за кем-то дома.
• Конфиденциальность и кибербезопасность. Система, которая может переключить миллион устройств, является целью. Важнейшее значение имеют стандарты, шифрование и местные резервные системы.
• Metering and settlement. Without half-hourly meters and market rules that pay for flexibility, even willing households cannot be rewarded.

Реальные проекты, измеренные

Программа	Что было измерено	Источник
Великобритания, гибкий спрос, зима 2022/23	Более 1,6 миллиона домашних хозяйств и предприятий через 31 поставщиков приняли участие в 22 мероприятиях и сократили потребление примерно на 3300 МВт. Средняя оплата: £ 3000 за МВт в тестовых мероприятиях, £ 4559 за МВт в двух живых событиях января 2023 года. Ответ в живых событиях был на 20% выше, чем в тестах	Зимний обзор NESO, 2023
Великобритания, гибкость спроса, зима 2023/24	2,6 млн. счетчиков (99% внутренних) через 48 поставщиков; 14 тестов и 2 живых мероприятия; более 3,7 ГВт/ч поставлено с пиком более 400 МВт; общие расходы £11,9 млн.; в конкурентных тестах средняя принятая заявка упала до £1111 за МВт/ч, при этом заявки были всего лишь на £150	Отчет НЭСО за 2024 год
Спрос-реагирование и виртуальные электростанции в США	В США уже функционируют виртуальные электростанции мощностью, по оценкам, от 30 до 60 ГВт, главным образом в рамках программ регулирования спроса, которые осуществляются несколько раз в год	Министерство энергетики США, Пути к коммерческому запуску: Виртуальные электростанции, 2023
Потенциал США к 2030 году	Около 200 ГВт экономичной гибкости нагрузки, 20% пиковой нагрузки, более чем в три раза больше, чем 60 ГВт регулирования спроса, стоимостью свыше $15 млрд. в год в виде избежанных затрат	Браттль, 2019
Цель США	80-160 ГВт виртуальных электростанций к 2030 году, 10-20% пикового спроса, экономия порядка $10 млрд в год на сетевых расходах	Министерство энергетики США, 2023

Служба Великобритании является наиболее ясным широкомасштабным публичным отчетом до сих пор. За две зимы он перешёл от чрезвычайной меры к рутинному инструменту: количество поставщиков выросло на 58%, зарегистрированных достигло 2,6 миллиона метров, и как только поставщикам пришлось конкурировать в тестах, средняя цена упала до около £1100 за МВт·ч против £3000 в первые зимние тесты. Это также показывает масштаб: 400 МВт в пиковую минуту – это примерно размер одного большого газового блока, поставляемого миллионами домов, большинство из которых работают вручную.

Что это стоит

Гибкость не покупается за киловатт-час, как выход электростанции. Ее покупают за киловатт пиковой мощности, которую она убирает в год, потому что именно это она заменяет: установки и батареи, построенные для того, чтобы быть готовыми к работе несколько десятков часов.

Вариант для покрытия пиковой нагрузки	Показатель стоимости	Источник
Установка для газового пика, новая	$0.110 to $ 0,228 на произведенный кВт·ч при работе только в пиковые периоды	Лазард LCOE+, 2024
Газовый пик, энергоэффективный аккумулятор и бытовая ВПП, надежность 400 МВт для моделируемой электростанции США	Чистые затраты на VPP для коммунальных служб составляют около 40% от пикового потребления газа и 60% от аккумулятора. С учетом выбросов и устойчивости годовые чистые затраты составляют около $43 million for gas, $29 миллионов долларов за батареи и $2 миллиона за VPP	Братл, Реальная надежность, 2023
Чрезвычайное сокращение спроса домашних хозяйств, Великобритания	£1,111 to £4,559 per MWh delivered, for a few hours a winter	НЕСО, 2023 и 2024
Солнечная энергия на крыше здания, эталон для нашего поколения	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0,09 - 0,20 долл. США	Наша Модель стенки вентилятора; Lazard, 2026

Из этой таблицы можно извлечь два урока. Во-первых, на кВт·ч сокращение пикового времени выглядит дорого, но пиковая электростанция также стоит дорого на кВт·ч, потому что она работает так редко; на кВт надежности гибкие дома являются самым дешевым вариантом в вышеуказанных исследованиях, и по оценкам Браттла развертывание 60 ГВт США могло бы удовлетворить будущие потребности в надежности на $15 to $35 миллиардов меньше за десять лет, чем альтернативы. Во-вторых, гибкость не конкурирует с нашим эталоном солнечной энергии на крыше, она дополняет его. Солнечная энергия производит наибольшее количество энергии в полдень; гибкость позволяет использовать ее именно в это время, что повышает ценность каждой панели и уменьшает потребность в батареях.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Сети с большим количеством солнечной энергии, где цены в полдень падают к нулю, а вечерние пики дорогие.
• Домы с электрическим отоплением, горячей водой баки, тепловые насосы или электромобили, нагрузки, которые хранят энергию по природе.
• Локальные сети близки к предельным значениям, где управление, когда автомобили заряжаются может отложить новые кабели и трансформаторы; Министерство энергетики США отмечает Калифорнийские исследования, что более плавная зарядка может сократить инвестиции в распределение к 2035 году до $50 billion to $15-20 млрд. долл. США.
• Бизнес с тепловыми процессами: холодильные помещения, водонасосная станция, отопление и охлаждение крупных зданий.

Он не может выиграть:

• Длинные периоды спокойствия и темноты. Смена часов не может охватить безветренную неделю зимой.
• Нагрузки, которые должны работать сейчас: больницы, освещение, приготовление пищи, большинство отраслей промышленности на жестких графиках.
• Без учета и справедливых правил. Там, где счетчики считываются раз в месяц, а тарифы плоские, нет ничего, чтобы ответить, и нет способа получить плату.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: миллионы домашних хозяйств будут реагировать на события в пиковое время, когда они будут вознаграждены (Великобритания, 2022-2024 годы); водонагреватели, термостаты, зарядные устройства и аккумуляторы могут управляться дистанционно в масштабе; виртуальные электростанции уже обеспечивают десятки гигаватт в США; переключение нагрузки на дополнительные часы сокращает прекращение производства и выбросы, когда маргинальная установка является ископаемым.

Вероятно: что автоматизированная гибкость дома может быть такой же надежной, как и электростанция для обеспечения достаточности ресурсов (моделирование Браттла, еще не десятилетие эксплуатационных данных); что гибкость может обеспечить 10-20% пикового спроса к 2030 году в США; что большинство домашних хозяйств с тепловыми насосами и электрическими автомобилями примут автоматическое управление, если переключение будет простым и экономия будет заметной.

Спекулятивные: круглогодичный, ежедневный гибкий доступ из большинства домов без усталости; справедливые результаты для домашних хозяйств без гибких устройств; широкомасштабная гибкость без новых рисков в плане безопасности.

Открытые исследовательские вопросы

• Каким образом исходный уровень можно ли оценить справедливо и недорого для домашнего хозяйства, и какой уровень погрешности является приемлемым?
• Сколько событий в год люди примут это, и как автоматизация может изменить это?
• Как предотвратить синхронизированные пики отскока, когда многие устройства реагируют на одну и ту же цену?
• Что такое настоящее термическая гибкость обычных домов с тепловыми насосами, и как это меняется с изоляцией и внешней температуры?
• Которые тарифные схемы справедливо распределять выгоды с людьми, которые не могут переехать?
• Каким образом гибкость может быть проверено в местных сетях, а не только в национальной сети?

Что нужно для рабочего прототипа

Для гибкости рабочая модель не является чертежом приложения. Это измеренный сдвиг реальной нагрузки на реальные устройства: перемещенные кВт·ч, кВт пикового сокращения, с группой сравнения, за полный сезон. Оборудование недорогое, а стоимостью является строгость.

Фаза	Работа	Решение, которое оно позволяет	Приблизительная стоимость	Время
0. Проектирование	Выбор нагрузки (например, резервуары для горячей воды), сигнала (цена, углеродоемкость или событие в сети), измерения, согласия и статистического плана с контрольной группой	Достаточно ли значительным является воздействие, чтобы измерить его с точки зрения имеющихся жилищ?	$5k to $15к	1-2 месяца
1. Испытание на стенде и в домашних условиях	Контроллеры на 5-10 реальных устройствах, измерение через полчаса, комфортная регистрация	Переключает ли устройство надежно и люди переопределяют его?	$10k to $30к	3 месяца
2. Рабочая модель	50-200 домов с сопоставимой контрольной группой на одну зиму или лето, независимый анализ изменения кВт·ч и отключения кВт	Измеренная гибкость в расчете на домохозяйство, участие и удовлетворенность	$50k to $200к	6-9 месяцев
3. Рыночные эксперименты	Запись агрегированных домов в программу поставщика или оператора сети и получение оплаты за предоставленную гибкость	Доход на домохозяйство, стоимость в кВт-год, соответствующая рыночным правилам	$150k to $500к	12 месяцев

Кто нам нужен

• Инженеры-энергетики которые знают, как гибкость отправляется, измеряется и распределяется.
• Специалисты по обработке данных и статистики для исходных условий, контрольных групп и проверки.
• Поведенческие ученые разрабатывают предложения, которые люди понимают и продолжают использовать.
• Инженеры по встраиваемым системам и безопасности для контроллеров, которые являются безопасными, конфиденциальными и работают в автономном режиме.
• Специалисты по отоплению, горячей воде и зарядке электромобилей.
• Эксперты по вопросам регулирования и тарифов которые могут открыть рынки для небольших гибких нагрузок.
• Организаторы общинных мероприятий и местные советы которые могут на справедливой основе набирать домохозяйства, в том числе с низкими доходами.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы быть представленной, идея должна иметь работающую, реальную модель, с результатами измерения на инструменте, а не претензии. Для гибкости, это означает реальные устройства в реальных домах или зданиях, с измеряемым кВт·ч смещенным и кВт пикового сокращения, по сравнению с домами, которые не делали ничего. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Отправьте свою идею или результаты испытаний через форму вклада: проблему, которую она решает, нагрузку и сигнал, измеренный или оцененный сдвиг, приблизительную стоимость за кВт или за дом, а также самый дешевый тест, который мог бы доказать ее неверность. Для других направлений, см. сравнение энергетических альтернатив.

Источники

1. The Brattle Group (June 2019). Национальный потенциал гибкости нагрузки: стоимость и рыночный потенциал до 2030 года.
2. Hledik, R. and Peters, K., The Brattle Group (англ.)русск. (май 2023). Надежность: ценность виртуальной мощности, подготовлено для Google.
3. US Department of Energy (September 2023). Пути к коммерческому запуску: Виртуальные электростанции.
4. Национальный оператор энергетической системы (бывшее ESO) (август 2023). Обзор службы гибкости спроса зимой 2022/23.
5. Национальный оператор энергетической системы (2024 год). Отчет о работе службы гибкости спроса за зимний период 2023/24; обзор услуг.
6. Калифорнийский университет (2016). Что говорит нам кривая утки об управлении зеленой сетью.
7. Лунд, П.Д., Линдгрен, Дж., Миккола, Дж. и Салпакари, Дж. (2015). Обзор мер по обеспечению гибкости энергосистемы в целях создания возможностей для использования большого объема электроэнергии, производимой из возобновляемых источников. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 45, 785-807.
8. Альбади, М.Х. и Эс-Саадани, Э.Ф. (2008). Резюме по вопросу об управлении спросом на рынках электроэнергии. Исследования в области электроэнергетических систем 78, 1989-1996.
9. Лазард (июнь 2024). Уровненная стоимость энергии+, версия 17: газовый пик $110 to $228 за МВт.ч. В издании за июнь 2026 года приводится информация о коммерческих установках солнечной энергии на крыше, используемых в качестве эталона.
10. Local Solar System Фонд. The Fan Wall: открытое исследование ветра, для солнечной крыши эталонного показателя в $ 0.19 за кВт.ч.