需求彈性

每个电网都必须每秒钟匹配供应和需求。 一个世纪以来,这是通过调整供应来实现的:煤炭、天然气和水电厂随着人们选择开启。 风能和太阳能无法预测何时发电，因此清洁的电网需要方程的另一半也在运转。 需求灵活性意味着我们可以根据价格、信号或自动控制来改变使用电力的时间,有时甚至是数量,而不必放弃我们想要的服务:热水、温暖的家、充电的车辆、干净的碗碟。

它是我们列表上唯一一个不产生能源的替代能源。 这正是为什么它很重要。 * * 一个千瓦小时从晚上高峰转移到阳光明媚的下午可以替代燃气发电厂的输出,并以控制器和公平费率的价格拯救原本会被丢弃的太阳能。 它已经在数百万家庭的规模上运作。 限制因素是信任、测量和被邀请参与的人的耐心，而不是物理学。

什么是

需求灵活性包括所有能够让电力使用跟随供应而不是相反的东西。 工程师将其分为四种:

• Shift: 将使用量移动到另一个小时,而不更改总数。 午间加热热水箱,夜间为汽车充电,在风强时运行洗碗机。
• 棚屋:短时间内减少使用,接受一点点的服务,例如在冬季高峰期间将恒温器降低一个度,为期一个小时。
• 形状:通过使某些小时比其他小时便宜的费率,如使用时间或半小时价格来改变日常模式。
• 希米:在几秒钟或几分钟内进行快速、小规模调整,有助于保持电网频率稳定,热水器、电池和汽车充电器可以做到这一点而无需任何人注意。

当数千个这样的设备通过软件协调并作为一个资源提供给电网时,结果称为 虚拟发电厂: 它的行为就像一个发电站在峰值,除了它是由住宅。 对该领域的评论描述了完整的工具箱以及灵活性如何补充存储和更强大的电网(Lund et al . , 2015; Albadi and El-Saadany, 2008 ) 。

它是如何工作的

鸭子曲线 在一个阳光明媚的春天,在一个有很多太阳能的地区,其他工厂必须满足的需求(称为净负载)在一天中间会下降,然后在晚上随着日落和人们回家而急剧攀升。 在一天内绘制的曲线看起来像一只鸭子,这种形状是由加利福尼亚网格运算符(CAISO,2016)所引发的。 陡峭的晚间坡度和峰值是最昂贵的服务时间；中午腹部意味着太阳能农场被关闭或削减,因为缺乏需求。

简单的算术。 三个数字描述了灵活性的作用,上面的解释器将它们计算为一个示例城镇大小的网格。

• 峰值净负载,需求与风能加太阳能之间最大的差距。 它规定了必须保持准备的天然气厂、电池或进口量。 移动负载的晚上降低它。
• 减排,生产但未使用的清洁能源。 将负载移动到阳光明媚的时段使用它。
• 碳密度,每消耗千瓦时的平均排放量。 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.

在示例日,转移四个负载,每天共使用300兆瓦时,约占该镇需求的七分之一,将晚间高峰时间必须由天然气提供的电力从112兆瓦减少到61兆瓦,将太阳能和风能的削减量从580兆瓦减少到380兆瓦,并将碳密度从每千瓦时130克降低到90克。 所用的能量完全相同。 形状是说明性的,但机制是电网运营商依赖的。

为什么有些负载是理想的。 一个好的弹性负载可以储存能量或在其时间表中有松动:

• 热水器 热电池:200升的储罐在40°C下加热后,可存储约9千瓦时。 加热它在中午而不是在黎明时刻对淋浴没有任何改变。
• 電動車 停车场大部分时间,和典型的每日驾驶30至50公里只需要约5至10千瓦时。 一个汽车插上电源十个小时需要为其中一两个充电,它可以选择哪一个。
• 热泵 在一个隔热良好的家庭可以预热的房子在下午和海岸通过晚上高峰与建筑物自己的质量作为存储。
• 洗碗机、洗衣机和烘干机 需要一个结束时间,而不是开始时间。

控制,而不是意志力。 要求人们看网格是不会持续的。 测量成功的案例将明确的价格或奖励与自动化相结合:智能恒温器、充电器或热水控制器遵循信号,并且可以轻松覆盖。 在英国的需求灵活性服务中,2023/24 年冬季超过 99% 的参与者仍然以手动方式回复 ( NESO, 2024 ) , 这是令人印象深刻的公民参与度,也是自动化重要性的原因:手疲劳,控制器不会。

限制:理论和实践

什么物理限制。 灵活性是由存储在服务:多少小时的坦克保持热,多长时间的房子保持温暖,多少一辆车需要到早上。 它可以在几小时内转移能量,偶尔在一天之内,但不能从夏季到冬季。 它也无法弥补一周平静多云的天气：这需要储存、固定发电或进口。

人和市场的限制:

• 参与和疲劳。 志愿活动每个冬天几次都很有效。 没有自动化的日常请求会失去人。
• 基线问题。 要付钱给某人使用较少,你必须估计他们否则会使用多少。 基线可以被玩弄，而且很难对一个家庭进行核实。
• 反弹和新的峰值。 负载转移出一个小时土地在另一个。 如果成千上万的充电器在同一时刻开始一个便宜的期间,他们可以创建一个新的峰值本地电缆。 好的方案是渐进和随机的。
• 公平性 拥有汽车、热泵和智能计量仪表的家庭可以从灵活性中获益;没有这些设备的家庭则无法。 关税决不能惩罚那些无法轮班的人，比如那些在家照顾别人的人。
• 隐私和网络安全。 一个能够切换一百万台设备的系统是一个目标。 标准、加密和本地备份是必不可少的。
• 计量和结算。 没有半小时计量和为灵活性付费的市场规则，即使是自愿家庭也无法获得奖励。

实际项目，计量

方案	衡量的内容	来源
英国需求灵活性服务,2022/23年冬季	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	2023年冬季审查
英国需求灵活性服务,2023/24年冬季	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 end-of-year report, 2024
美国需求响应和虚拟发电厂	美国已有大约30至60千兆瓦的虚拟发电厂能力在运行,主要是用于每年几次的需求响应计划	美国能源部,通往商业发射的道路:虚拟发电厂,2023年
美国到2030年的潜力	About 200 GW of cost-effective load flexibility, 20% of peak, more than three times the 60 GW of demand response then available, worth over $15 billion a year in avoided costs	布拉特尔，2019年
美国目标	80 to 160 GW of virtual power plants by 2030, 10 to 20% of peak demand, saving on the order of $10 billion a year in grid costs	美国能源部，2023年

英国的服务是迄今为止最清晰的大规模公共记录。 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. 它还显示了规模:400兆瓦的峰值大约是一个大型燃气发电机组,由数百万家庭提供,其中大多数是手工操作。

什么是它的成本

灵活性不是像发电站的输出那样以千瓦小时来买到的。 人们按照每年消除的峰值电量千瓦购买它，因为这就是它所替代的东西：能够保持几十小时的发电厂和电池。

选择覆盖峰值	成本计量	来源
新型气体峰值装置	$0.110 to $每千瓦时产能为0.228,仅在峰值运行	拉扎尔LCOE+，2024年
天然气峰值电源、公用事业规模的电池和住宅 VPP,为美国公用事业提供 400 MW 可靠性	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	布拉特尔,真正的可靠性,2023年
紧急家庭需求减少，大不列颠	每个冬季几小时每兆瓦时1,111英镑至4,559英镑	2023年和2024年国家空间应用组织
建筑物屋顶太阳能,我们这一代的基准	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09至0.20美元	我们的 风扇墙模型; Lazard, 2026

从这一表格中可以得出两个教训。 First, per kWh, peak-time reductions look expensive, but a peaking plant is also expensive per kWh because it runs so rarely; per kW of reliability, flexible homes are the cheapest option in the studies above, and Brattle estimates a 60 GW US deployment could meet future reliability needs for $15 to $35 billion less over ten years than the alternatives. 其次,灵活性并不与我们的屋顶太阳能基准竞争,而是对其进行了补充。 太阳能在中午产生最多的电；灵活性将使用转移到这些时间，从而提高每个电池板的价值并减少对电池的需求。

哪里可以赢,哪里不能

它可以赢得:

• 太阳能电网,中午价格下降到零,晚上峰值昂贵。
• 家用电加热,热水箱,热泵或电动汽车,由自然存储能量的负载。
• 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.
• 热处理业务:冷库,水泵,大型建筑物的加热和冷却。

它不能赢得:

• 长时间的平静,黑暗时期。 转换时间不能覆盖一个无风的一周在冬天。
• 现在必须运行的负载:医院,照明,烹饪,大多数工业在紧张的时间表。
• 没有计量和公平的规则。 当仪表读取一次月份,并且关税是平的,有什么回应,也没有办法得到支付。

什么是证明,合理和推测

证明： 数百万家庭将在获得奖励时对高峰时间事件做出反应(英国,2022年至2024年 ) ; 热水器、恒温器、充电器和电池可以按规模远程控制;虚拟发电厂已在美国提供了几十亿瓦特的电力;当边缘工厂是化石燃料时,将负载转移到剩余小时可减少削减和排放。

可能的： 自动化家庭灵活性可以像发电厂一样可靠,以满足资源充足的需求(Brattle的模型,尚未有十年运行数据 ) ; 到2030年,在美国,灵活性可以提供10%至20%的峰值需求;如果覆盖容易且节省明显,大多数使用热泵和电动汽车的家庭将接受自动控制。

投机性： 全年,大多数家庭的日常灵活性没有疲劳; 对于没有灵活设备的家庭来说公平的结果; 大规模灵活性没有新的安全风险。

开放式研究问题

• 如何应对? 基线 对于一个家庭来说,什么样的估计方法是公平和廉价的?
• 人们每年会接受多少次活动,自动化如何改变这一点?
• 我们如何预防 同步反弹峰 当许多设备响应相同的价格?
• 什么是真正的 热灵活性 热泵的功率是多少,它如何改变与绝缘和室外温度?
• 哪些关税设计与不能转移的人公平分享好处?
• 如何能够实现灵活性 核实 当地网络,而不仅仅是国家电网?

一个工作原型需要什么

为了灵活性,工作模型不是应用的工程图。 是个好孩子! 实际设备上测量的实际负载偏移: 整个季节内移动的千瓦时,峰值切断千瓦时,与比较组。 设备便宜；严格是什么成本。

阶段	工作	决定它能够	粗成本	时间
0. 设计	选择负载(例如热水箱 ) 、 信号(价格、碳密度或电网事件 ) 、 计量、同意和统计计划,并设置控制组	是否足够大的影响,以衡量可用的住房?	$5k to $15k 格林尼治标准时间	1至2个月
1. 台式和家庭测试	5至10台实际设备上的控制器,每半小时计量,舒适记录	该设备是否可靠地切换,人们是否可以覆盖它?	$10k to $30k 开奖记录	3个月
2. 工作模式	50至200户家庭与一个匹配的控制组在冬季或夏季,独立分析千瓦时转移和千瓦切断	衡量每户的灵活性、参与和满意度	$50k to $200k	6至9个月
3. 市场试点	将聚合住宅注册到供应商或电网运营商计划中,并为提供的灵活性获得付款	每户收入，每千瓦年成本，符合市场规则	$150k to $500k	12个月

我们需要谁

• 电力系统工程师 他们知道如何发送、测量和调节灵活性。
• 数据科学家和统计师 基准、控制组和核查的数据。
• 行为科学家设计的产品让人们理解并继续使用。
• 嵌入式和安全工程师 适用于安全、私密且离线工作的控制器。
• 供暖、热水和电动车充电专家。
• 监管和关税专家,他们可以为小型灵活负载开放市场。
• 社区组织者和地方议会 他们可以公平地招募家庭，包括低收入家庭。

还有更好的主意吗?

基金会的一些成员可能有联系人,可以听到一个强大的能源想法。 要想被投掷,一个想法需要一个 工作,真实生活模型,其结果测量在一个仪器上,没有声称。 对于灵活性,这意味着在真实的家庭或建筑物中使用真正的设备,与不做任何事情的家庭相比,计量的千瓦时和峰值减少的千瓦。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 但没有一个工作模式,筹集资金是非常困难的,这里没有什么是融资、回报或介绍的承诺。

通过贡献表格发送您的想法或试验结果:它解决的问题,负载和信号,测量或估计的偏移,每千瓦或每个家庭的大致成本,以及可以证明它错误的最便宜的测试。 其他方向,请参见能源替代品比较 。

来源

1. The Brattle Group (June 2019). 国家负载灵活性潜力:价值和市场潜力直到2030年.
2. Hledik, R. and Peters, K., The Brattle Group (May 2023). 真正的可靠性:虚拟电源的价值,为谷歌准备。
3. US Department of Energy (September 2023). 商业发射的途径:虚拟发电厂。
4. National Energy System Operator (formerly ESO) (August 2023). 需求灵活性服务2022/23年冬季回顾.
5. 国家能源系统运营商(2024年)。 需求灵活性服务2023/24年冬季年终报告; 服务概述。
6. 加利福尼亚州ISO(2016年) 鸭子曲线告诉我们管理绿色电网的意义。
7. 隆德,P.D.,林德格伦,J.,米克科拉,J. 和Salpakari,J. (2015). 审查能源系统灵活性措施，以便使可变可再生电力达到高水平。 可再生能源与可持续能源评论 45, 785-807.
8. 阿尔巴迪，M.H.和萨达尼，E.F. (2008). 电力市场需求响应的概述。 电力系统研究 78, 1989-1996.
9. Lazard (June 2024). 平衡能源成本+,版本17:天然气峰值$110 to $每兆瓦时228。 The June 2026 edition gives the commercial rooftop solar range used as our benchmark.
10. Local Solar System 基金会。 The Fan Wall: open wind research, 屋顶太阳能基准为每千瓦时$0.19。