Talep esnekliği

Her elektrik şebekesi her saniye arz ve talebi karşılamalı. Bir yüzyıl boyunca bu, arz düzenlemesiyle yapıldı: kömür, gaz ve hidroelektrik santralleri insanların neyi açmayı seçtiklerine uydu. Rüzgar ve güneş enerjisinin ne zaman üretileceği söylenemez, bu yüzden temiz bir şebeke denklemin diğer yarısı için de hareket etmeli. Talep esnekliği, isteğimizi değiştirmeden ne zaman ve bazen de ne kadar elektrik kullandığımızı, fiyatlara, sinyallere veya otomatik kontrole tepki olarak değiştirmek anlamına gelir: sıcak su, ısınmış bir ev, şarjlı bir araba, temiz çatal-çatal.

Bu bizim listemizdeki hiçbir enerji üretmeyen tek alternatif enerji çeşidi. Önemli olmasının tam da bu yüzdendir. **Akşam saatlerindeki en yüksek seviyeden güneşli bir öğleden sonraya taşınan bir kilovatsaat, bir gaz santralinin üretiminin yerini alabilir ve aksi takdirde atılan güneş enerjisini kurtarabilir, ancak bunun için denetleyiciye ve adil bir tarifeye ihtiyaç duyulur. Milyonlarca evde çalışıyor bile. Sınırları, fizik değil, katılmak istenen insanların güveni, ölçümü ve sabrı ile belirlenir. **

Nedir bu?

Talep esnekliği, elektriğin kullanımının tersine değil de arzı takip etmesini sağlayan her şeyi kapsar. Mühendisler onu dört çeşitte gruplandırırlar:

• Shift: toplamı değiştirmeden başka bir saate taşı. Gündüzleri bir sıcak su tankı ısıtın, gece boyunca arabayı şarj edin, rüzgarın şiddetli olduğu zamanlarda bulaşık makinenizi çalıştırın.
• Şehir: kısa bir süre için kullanımı azaltın ve biraz daha az hizmet kabul edin, örneğin kış zirvesi sırasında bir saat boyunca bir derece daha düşük bir termostat.
• Shape: bazı saatleri diğerlerinden daha ucuz yapan tarifeler aracılığıyla günlük modeli değiştirin, örneğin kullanım zamanı veya yarım saatlik fiyatlar.
• Shimmy: su ısıtıcıları, piller ve araba şarj cihazlarının kimse fark etmeden yapabileceği şebekenin frekansını sabit tutmaya yardımcı olan saniyeler veya dakikalar içinde hızlı, küçük ayarlamalar.

Böyle cihazların binlercesini yazılım ile koordine edip tek bir kaynak olarak şebekeye sunduğumuzda, sonuçta “birbirinden bağımsız” bir sistem ortaya çıkar. sanal enerji santraliTepedeki bir elektrik santrali gibi davranıyor, ama evlerden oluşuyor. Alan incelemeleri, tam alet kutusunu ve esnekliğin depolamayı ve daha güçlü ağları nasıl tamamladığını açıklar (Lund et al., 2015; Albadi ve El-Saadany, 2008).

Nasıl çalışıyor?

Ördek eğrisi. Birçok güneş enerjisi bulunan bir bölgede, diğer tesislerin karşılaması gereken net yük adı verilen talep, gündüzün ortasında düşer ve akşam güneş battıktan ve insanlar eve geldikten sonra sert bir şekilde artar. Bir gün boyunca çizilmiştir, eğri bir ördek gibi görünür, California grid operatörü tarafından ünlü hale getirilmiş bir şekil (CAISO, 2016). Akşam saatlerindeki sert yükseliş ve zirve, hizmet için en pahalı saatler; öğleden sonraki karnına ise talep eksikliği nedeniyle güneş çiftlikleri kapatılmakta veya kısıtlanmaktadır.

Basit aritmetik. Üç sayı esnekliğin ne yaptığını açıklar ve yukarıdaki açıklamacı onları illüstratif bir şehir boyutu için hesaplar.

• Tepe net yük, talep ve rüzgar artı güneş arasındaki en büyük boşluk. Bu planda, kaç adet gaz santrali, batarya veya ithalat tesisi hazır tutulması gerektiği belirleniyor. Akşamdan sonra yük taşımak onu düşürür.
• Kortailment, üretilen ama kullanılmayan temiz enerji. Güneşli saatlere taşınan yükler bunu kullanıyor.
• Karbon yoğunluğu, tüketilen kWh başına ortalama emisyonlar. Eğer boşluk kWh başına yaklaşık 450 g CO2 ile gazla doldurulursa, boşluktan fazlaya taşınan her kWh yaklaşık 450 g tasarruf sağlar.

Örnek gün, birlikte günde 300 MWh kullanan dört yükün, şehrin talebinin yaklaşık yediden birini kullanarak, gazın kaplaması gereken akşam zirvesini yaklaşık 112 MW’dan 61 MW’a düşürür, kısıtlanmış güneş ve rüzgarı yaklaşık 580’den 380 MWh’a düşürür ve karbon yoğunluğunu kWh başına yaklaşık 130’dan 90 g’ye düşürür. Kullanılan enerji tam olarak aynıdır. Şekilleri göstergesel ama mekanizma şebeke operatörlerinin güvendiği tek şeydir.

Bazı yüklerin neden ideal olduğu. İyi bir esnek yük enerji depolar veya programında gevşeklik vardır:

• Su ısıtıcıları 200 litrelik bir tank 40 derecede ısıtılınca yaklaşık 9 kWh enerji üretir. Şafak yerine öğleden sonra ısıtma duş için hiçbir şey değiştirmez.
• Elektrikli arabalar Gününün çoğunu park halinde geçirir ve tipik bir günlük 30 ila 50 km sürüş için sadece 5 ila 10 kWh ihtiyacı vardır. On saat boyunca şarj edilmiş bir araba, bunlardan birini ya da ikisini şarj etmeye ihtiyaç duyar ve hangisini seçebilir.
• Isı pompaları iyi yalıtılmış bir evde, öğleden sonra evi ön ısıtabilir ve akşam saatlerinde depolama olarak binanın kendi kütlesi ile ısınabilir.
• Yıkama makinesi, çamaşır makinesi ve kurutma makinesi Başlama zamanı değil, bitiş saati istiyorum.

Kontrol, irade gücü değil. İnsanlardan şebekeyi izlemelerini istemek uzun sürmez. Ölçülen başarı hikayeleri, net bir fiyat veya ödülü otomasyonla birleştiriyor: sinyali takip eden akıllı bir termostat, şarj cihazı veya su ısıtıcısı kontrolü, kolayca üstesinden gelinebilir. İngiltere’nin Talep Esneklik Hizmetinde, 2023/24 kışında katılımcıların %99’u hala elle yanıt verdi (NESO, 2024), bu etkileyici bir sivil katılım ve aynı zamanda otomasyonun önemi: eller yorgun, kontrolörler değil.

Sınırlar: teorik ve pratik

Fizik neyi sınırlar. Esneklik, hizmetteki depolama ile sınırlıdır: bir tank kaç saat sıcak kalır, bir ev ne kadar süre ısınır, bir araba sabaha kadar ne kadar ihtiyaç duyar. Enerjiyi saatlerce, bazen de bir gün boyunca değiştirebilir ama yazdan kışa değil. Ayrıca bir haftalık sakin ve bulutlu havayı da karşılayamaz: bunun için depolama, sabit üretim veya ithalata ihtiyaç duyuluyor.

İnsanlar ve piyasaların sınırladığı şeyler:

• Katılım ve yorgunluk. Kışın birkaç kez gönüllü etkinlikler iyi işe yarar. Otomatik olmayan günlük talepler insan kaybeder.
• Temel hat problemi. Bir kişiye daha az kullanmak için ödeme yapmak için, başka bir şekilde ne kadar kullanacağını tahmin etmelisiniz. Temel hatlar değiştirilebilir ve bir ev için doğrulamak zordur.
• Geri çekilme ve yeni zirveler. Yük bir saatten başka bir saate geçiyor. Eğer binlerce şarj cihazı ucuz bir dönemin başladığı aynı anda çalışırsa, yerel kablolarda yeni bir zirve yaratabilir. İyi planlar rastgele ve rastgeledir.
• Adillik. Araba, ısı pompası ve akıllı metreye sahip evler esneklikten kazanç sağlayabilir; olmayanlar ise yapamazlar. Tarifeler, evde birine bakmak gibi hareket edemeyen insanları cezalandırmamalı.
• Mahremiyet ve siber güvenlik. Bir milyon cihazı değiştirebilen bir sistem hedef olarak düşünülüyor. Standartlar, şifreleme ve yerel destekler çok önemli.
• Ödeme ve hesaplama. Yarım saatlik ölçümler ve esnekliğin karşılığını veren pazar kuralları olmadan, istekli ev hanımları bile ödüllendirilemez.

Gerçek projeler, ölçülmüş

Program	Ne ölçüldü	Kaynak
Büyük Britanya Talep Esneklik Hizmetleri, kış 2022/23	31 sağlayıcı aracılığıyla 1,6 milyonun üzerinde ev ve işletme 22 etkinliğe katıldı ve tüketimi yaklaşık 3.300 MWh azalttı. ortalama ödeme: test etkinlikleri için MWh başına £ 3.000, Ocak 2023’teki iki canlı etkinlikte MWh başına £ 4.559. canlı etkinliklerde tepkiler testlerde % 20 daha yüksekti	NESO kış raporu, 2023
Büyük Britanya Talep Esneklik Hizmetleri, kış 2023/24	48 sağlayıcı üzerinden 2,6 milyon metre (% 99 yerli); 14 test ve 2 canlı etkinlik; 400 MW’dan fazla bir zirve ile 3,7 GWh’nin üzerinde teslim edildi; toplam harcama £ 11,9 milyon; rekabetçi testlerde kabul edilen ortalama teklif, £ 150’ye kadar düşük tekliflerle MWh başına £ 1.111’e düştü	NESO yıl sonu raporu, 2024
ABD’nin talep cevabı ve sanal enerji santralleri	ABD’de, çoğu yılda birkaç kez kullanılan talep-cevap programları kapsamında tahmini 30 ila 60 GW sanal enerji santral kapasitesi zaten faaliyet gösteriyor.	US DOE, Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants, 2023
2030 yılına kadarki ABD potansiyeli	Yaklaşık 200 GW maliyet etkin yük esnekliği, zirvenin %20’si, o zaman mevcut olan 60 GW talebe yanıtın üç katından fazlası, yılda 15 milyar doların üzerindeki giderler önlenmiş olacak.	Brattle, 2019
ABD hedefi	2030 yılına kadar sanal enerji santrallerinin 80 ila 160 GW’lık kapasitesi, en yüksek talebin %10 ila %20’sini karşılayacak ve yıllık elektrik şebekesi maliyetlerinde 10 milyar dolar tasarruf sağlayacak.	ABD Dışişleri Bakanlığı, 2023

İngiltere’nin hizmeti bugüne kadarki en net büyük ölçekli kamu kaydı. İki kış içinde bir acil durum tedbirinden rutin bir araca geçti: sağlayıcı sayısı 58% arttı, kayıtlar 2.6 milyon metreye ulaştı ve sağlayıcılar testlerde rekabet etmek zorunda kaldıklarında ortalama kabul edilen fiyat MWh başına yaklaşık £ 1,100’e düştü, ilk kışı testlerinde £ 3,000 karşısında. Bu rakam aynı zamanda ölçeği de gösteriyor: zirvedeki 400 MW, çoğu elle çalışan milyonlarca ev tarafından sağlanan büyük bir gazlı ünitenin boyutuna yakın.

Ne kadara mal oluyor?

Esneklik, bir elektrik santralinin üretimi gibi kilovat-saatle satın alınmaz. Yıllık olarak kaldırdığı kilovatlık tepe gücüne göre satın alınıyor, çünkü yerine geçen şey bu: birkaç düzine saatlik hazırlık için inşa edilmiş santraller ve piller.

Bir zirveyi kapatma seçeneği	Maliyetler	Kaynak
Gaz tırmanma tesisi, yeni	$0.110 to $Kwh başına 0.228 üretilir, sadece zirvelerde çalışır	Lazard LCOE+, 2024
Gaz zirvesi, hizmet ölçekli pil ve konut VPP’si, ABD’de modellenen bir hizmet için 400 MW güvenilirlik	The VPP’s net cost to the utility is about 40% of the gas peaker’s and 60% of the battery’s. Counting emissions and resilience, annual net cost is about $43 million for gas, $29 million for batteries and $2 million for the VPP	Brattle, Gerçek Güvenilirlik, 2023
Acil ev talep azaltımı, Büyük Britanya	Kışın birkaç saat için, MWh başına 1.111 ila 4.559 sterlin arasında.	NESO, 2023 ve 2024
Binanın çatısında güneş enerjisi, neslinin referansı	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 to $0.20	Bizim Fan Duvar modeli; Lazard, 2026

Bu masadan iki ders çıkar. İlk olarak, kWh başına, zirve zamanı azaltmaları pahalı görünüyor, ancak bir zirve santrali de kWh başına pahalıdır çünkü çok nadiren çalışır; güvenilirlik kW’ına göre, esnek evler yukarıdaki çalışmalarda en ucuz seçenektir ve Brattle tahmin eder ki 60 GW ABD’nin kullanımı gelecekteki güvenilirliği ihtiyaçlarını alternatiflerden on yıl içinde $15 to $35 milyar daha az karşılayabilir. İkinci olarak, esneklik bizim çatıdaki güneş referansımızla rekabet etmiyor, onu tamamlayor. Güneş enerjisi en çok öğleden sonra üretir; esneklik kullanımı bu saatlere taşıyarak her panelin değerini artırır ve pil ihtiyacını azaltır.

Kazanabileceği ve kazanamayacağının yeri.

Kazanabilir:

• Çok fazla güneş enerjisi ile çalışan şebekelerÖğle saatlerinde fiyatlar sıfıra doğru düşer ve akşam saatlerinde en pahalı zamanlardır.
• Elektrikli ısıtma, sıcak su tankları, ısı pompaları veya elektrikli arabalarDoğada enerji depolayan yükler.
• Local networks near their limits, where managing when cars charge can postpone new cables and transformers; the US DOE notes Californian studies finding that smoother charging could cut distribution investment by 2035 from up to $50 billion to $15 to $20 billion.
• Termal işlemlerle uğraşan işletmeler: soğuk depo, su pompalama, büyük binaların ısıtma ve soğutma.

Kazanamaz:

• Uzun, sakin ve karanlık dönemler. Kışın rüzgarsız bir haftayı kapsayacak kadar saat değişimi yapılamaz.
• Şimdi yürümesi gereken yüklerHastaneler, aydınlatma, yemek pişirme, çoğu sanayi çok sıkı programlara sahip.
• Meter ve adil kurallar olmadan. Ayda bir kez ölçüm yapılan ve tarifeler sabit olan yerlerde, cevap verilecek hiçbir şey yok ve ödemenin de yolu yok.

Kanıtlanmış, muhtemel ve spekülatif olan nedir?

Kanıtlanmış: Milyonlarca ev ödüllendirildiğinde (Büyük Britanya, 2022-2024) zirve zamanı olaylarına tepki verecektir; su ısıtıcıları, termostatlar, şarj cihazları ve piller uzaktan ölçeklenebilir; sanal enerji santralleri ABD’de onlarca gigawatt sağlamaktadır; fazla saatlere yükleme kısıtlama ve emisyonu azaltır.

Makul: otomatik ev esnekliği kaynak yeterliliği için bir elektrik santrali kadar güvenilir olabilir (Brattle’ın modellemesi, henüz on yıllık işletim verileri değil); bu esneklik ABD’de 2030 yılına kadar en yüksek talebin %10 ila %20’sini sağlayabilir; ısı pompaları ve elektrikli arabalar ile çoğu ev, üstlenmek kolaysa ve tasarruflar görülebilirse otomatik kontrolü kabul edecektir.

Spekülatif: Yıl boyunca, çoğu evden yorgunluk olmadan günlük esneklik; esnek cihazlar olmadan evler için adil sonuçlar; yeni güvenlik riskleri olmadan büyük ölçekli esneklik.

Açık araştırma soruları

• Bir ev için nasıl bir baz çizgisi adil ve ucuz olarak tahmin edilmelidir ve ne kadar hata kabul edilebilir?
• Yılda kaç olay kabul edilecek ve otomasyon bunu nasıl değiştirecek?
• Birçok cihaz aynı fiyata tepki verdiği zaman senkronize geri tepme zirvelerini nasıl önleriz?
• Gerçek olan nedir? Termal esneklik Sıcaklık pompaları ile geleneksel evlerin enerji tüketimi, izolasyon ve dış sıcaklıkla nasıl değişir?
• Hangi tarife tasarımları avantajları değişmeyen insanlarla adil bir şekilde paylaşıyor?
• Nasıl esnek olabilir? doğrulandı yerel ağlarda, sadece ulusal ağın üzerinde değil?

Çalışan bir prototipin neye ihtiyacı olur?

Esneklik için, bir çalışma modeli bir uygulamanın çizimi değildir. Bu, gerçek cihazlarda gerçek yükün bir ölçülü kayması: kWh hareket etti, kW zirve kesme, bir karşılaştırma grubu ile, tam bir sezon boyunca. Ekipman ucuz, ama maliyeti de bu kesinlik.

Faz	İş	Bu karar,	Tahmini maliyet	Zaman
0. Design	Yükü (örneğin sıcak su tankları), sinyali (fiyatı, karbon yoğunluğu veya ağ olayı), ölçümleri, kabulü ve kontrol grubuyla birlikte bir istatistik planını seçin	Etki, mevcut evlerle ölçülebilecek kadar büyük mü?	$5k to $15k	1-2 ay
1. Banka ve ev testi	5 ila 10 gerçek cihaz üzerinde kontrolörler, yarım saatlik ölçüm, konfor kaydedici	Alet güvenilir bir şekilde değişiyor mu ve insanlar onu değiştirebiliyorlar mı?	$10k to $30k	3 ay.
2. Çalışan model	50 ila 200 ev bir kış ya da yaz için eşleştirilmiş kontrol grubuyla, kWh’nin değişimi ve kW’nın kesilmesi bağımsız analiz	Ev başına ölçülen esneklik, katılım ve memnuniyet	$50k to $200k	6 ila 9 ay
3. Pazar pilotu	Toplanmış evleri bir tedarikçi veya şebeke operatörü programına kaydedin ve sağlanan esneklik için para alın	Ev başına gelir, kilovat-yıl başına maliyet, piyasa kurallarına uygunluk	$150k to $500k	12 ay.

Kime ihtiyacımız var?

• Elektrik sistemleri mühendisleri Esnekliğin nasıl gönderildiğini, ölçüldüğünü ve hesaplandığını bilenler.
• Veri bilimciler ve istatistikçiler Temel hatlar, kontrol grupları ve doğrulama için.
• Davranış bilimcileri İnsanların anlayıp kullanmaya devam edecekleri teklifler tasarlamak.
• Embedded ve güvenlik mühendisleri Güvenli, özel ve çevrimdışı çalışan kontrolörler için.
• Isıtma, sıcak su ve elektrikli araç şarj uzmanları.
• Düzenleme ve tarife uzmanları Küçük esnek yüklere pazarları açabilirler.
• Toplum düzenleyicileri ve yerel konseyler Düşük gelirliler de dahil olmak üzere, adil bir şekilde evlere işe alacaklar.

Daha iyi bir fikrin var mı?

Vakfın bazı üyelerinin güçlü bir enerji fikri için bir teklif duyabilecek kişilerle temasları olabilir. Bir fikrin ortaya konması için, İşleyen, gerçek hayattaki bir model., sonuçları bir alet üzerinde ölçülmüştür, iddia edilmemiştir. Esneklik için, bu gerçek evlerde veya binalarda gerçek cihazlar anlamına gelir, ölçülen kWh değişti ve kW’lık zirve kesildi, hiçbir şey yapmayan evlere kıyasla. Kağıt üzerindeki fikirler de memnuniyetle karşılanıyor: fizik ve sayılar sağlam ise, onları burada web sitemizde yayınlayabiliriz. Fakat işleyen bir model olmadan sermaye toplamak çok zor ve burada hiçbir şey finansman, kazanç veya tanıtım sözü vermez.

Fikirlerinizi veya deneme sonuçlarınızı katkı formu aracılığıyla gönderin: çözülen sorun, yük ve sinyal, ölçülen veya tahmin edilen değişim, kW başına veya ev başına kabaca bir maliyet ve yanlış olduğunu kanıtlayabilecek en ucuz test. Diğer yönler için, enerji alternatifleri karşılaştırma maddesine bakınız.

Kaynaklar

1. The Brattle Group (Haziran 2019). The National Potential for Load Flexibility: Value and Market Potential Through 2030.
2. Hledik, R. and Peters, K., The Brattle Group (May 2023). Real Reliability: The Value of Virtual Power, Google için hazırlanmıştır.
3. US Department of Energy (September 2023). Ticari fırlatma yolları: Sanal Elektrik Santralleri.
4. National Energy System Operator (eski ESO) (Ağustos 2023). Talep Esnekliği Hizmetleri 2022/23 Kış gözden geçirmesi.
5. Ulusal Enerji Sistemi Operatörü (2024). Demand Flexibility Service winter 2023/24 end of year report; service overview.
6. NGC 2016 (İngilizce). Ördek eğrisi bize yeşil bir ağ yönetimi hakkında ne söylüyor?.
7. Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. ve Salpakari, J. (2015). Değişken yenilenebilir elektrik enerjisinin yüksek seviyelerini sağlayacak enerji sistemi esneklik tedbirlerinin gözden geçirilmesi. Yenilenebilir ve Sürdürülebilir Enerji İncelemeleri 45, 785-807.
8. (İngilizce) ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z (2008). Elektrik piyasalarında talep yanıtının bir özeti. Elektrik Güç Sistemleri Araştırması 78, 1989-1996.
9. Lazard (Haziran 2024). Levelized Cost of Energy+, version 17: gaz zirvesi $110 to $MWh başına 228. Haziran 2026 sayısında, referans olarak kullanılan ticari çatıdaki güneş enerjisi alanı verilmiştir.
10. Local Solar System Kuruluş. The Fan Wall: open wind research, kWh başına 0.19 $‘lık çatıdaki güneş referansı için.