Hvordan et smart elnet vil drive vores fremtid

En ny plan, der tilbyder partnerskab om at holde USA's elnet stabilt og pålideligt, kunne være en win-win for forbrugere og forsyningsoperatører.

Den største simulation nogensinde af sin slags, modelleret på Texas-strømnettet, konkluderede, at forbrugerne kan spare omkring 15 procent på deres årlige elregning ved at samarbejde med forsyningsselskaber. I dette system ville forbrugere koordinere med deres elforsyningsoperatør for dynamisk at kontrollere store energibrugere, såsom varmepumper, vandvarmere og ladestationer til elektriske køretøjer.

Denne form for fleksibel kontrol over energiforsyning og brugsmønstre kaldes "transaktiv", fordi den er afhængig af en aftale mellem forbrugere og forsyningsselskaber. Men et transaktivt energisystem er aldrig blevet implementeret i stor skala, og der er mange ubekendte. Det er derfor, Department of Energy's Office of Electricity opfordrede transaktive energieksperter ved Pacific Northwest National Laboratory til at undersøge, hvordan et sådant system kunne fungere i praksis. Den endelige rapport med flere bind blev frigivet i dag.

Hayden Reeve, en PNNL transaktiv energiekspert og teknisk rådgiver, ledede et team af ingeniører, økonomer og programmører, som designede og udførte undersøgelsen.

"Fordi Texas' net er ret repræsentativt for landets energisystem, muliggjorde det ikke kun modellering og simulering af transaktive koncepter, men gav en pålidelig ekstrapolering af resultaterne og potentielle økonomiske konsekvenser for det bredere amerikanske net og kunder," sagde han.

Simuleringen viste, at hvis et transaktivt energisystem blev indsat på Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) nettet, ville spidsbelastninger blive reduceret med 9 til 15 procent. Disse besparelser kan oversættes til økonomiske fordele på op til 5 milliarder dollars årligt i Texas alene, eller op til 50 milliarder dollars årligt, hvis de implementeres på tværs af hele det kontinentale USA. Besparelserne ville svare til den årlige produktion af 180 kulfyrede kraftværker på landsplan.

Skæring af den brune ud

På nuværende tidspunkt har de fleste mennesker oplevet eller været vidne til, hvordan ekstreme vejrforhold eller naturkatastrofer kan skabe kaos på vores nuværende strømdistributionssystemer. Denne sårbarhed forstærkes af vores afhængighed af nogle få centraliserede strømkilder og et netsystem, der nogle gange har svært ved at matche udbud og efterspørgsel. Yderligere vil dekarbonisering af elnettet betyde, at mere og mere strøm vil komme fra forskellige former for vedvarende energikilder, såsom vind og sol. Så det bliver altafgørende at undgå pludselige spidser eller fald – power brown eller black outs.

Undersøgelsesresultaterne indikerer, at et transaktivt energisystem vil reducere de daglige belastningsudsving med 20 til 44 procent. Og efterhånden som flere elektriske køretøjer kommer i brug, viste undersøgelsen, måske kontraintuitivt, at smarte ladestationer til køretøjer giver endnu større reduktioner af elektrisk spidsbelastning, fordi de tilbyder yderligere fleksibilitet i planlagte ladetider og strømforbrug.

"Et smart grid kan fungere som en støddæmper, der udligner uoverensstemmelser mellem udbud og efterspørgsel," sagde Reeve. "Gennem vores undersøgelse søgte vi at forstå, hvor værdifuld effektiv koordinering af elnettet kunne være for nationen, forsyningsselskaber og kunder. At arbejde med kommercielle bygningsejere og forbrugere for automatisk at justere energiforbruget repræsenterer et praktisk, win-win-trin i retning af dekarbonisering af el-, bygnings- og transportsektoren uden at kompromittere komforten og sikkerheden i de deltagende hjem og virksomheder."

En nøglekomponent i denne strategi er indførelse af smarte apparater og belastningskontrol. Disse dynamiske ressourcer kan lære at forbruge energi mere effektivt og justere deres brug i korte perioder for at frigøre elektricitet til andre behov. For eksempel, i stedet for at oplade et elektrisk køretøj tidligt på aftenen, når energiefterspørgslen og prisen er høj, ville transaktive energideltagere stole på en smart belastningskontrol til at forsinke opladningen af ​​deres køretøj, indtil efterspørgslen er lav og elektriciteten billigere. Denne tilgang reducerer ikke kun stress på den eksisterende netinfrastruktur, den giver forsyningsselskaber mere tid til at planlægge næste generations energilagrings- og distributionsinfrastruktur, som i øjeblikket er under udvikling.

Transaktiv energi:En central komponent

I et transaktivt energisystem er elnettet, boliger, erhvervsbygninger, elektriske apparater og ladestandere i konstant kontakt. Smarte enheder modtager en prognose over energipriser på forskellige tidspunkter af dagen og udvikler en strategi for at imødekomme forbrugernes præferencer og samtidig reducere omkostningerne og den samlede efterspørgsel efter elektricitet. Et lokalt detailmarked koordinerer til gengæld den samlede efterspørgsel med det større engrosmarked. Alle parter forhandler energiindkøb og -forbrugsniveauer, omkostninger, timing og levering i en dynamisk prisordning.

Selvom dette koncept kan virke futuristisk, er det ganske muligt at opnå og er allerede ved at blive implementeret i et demonstrationsprojekt i byen Spokane's Eco-District. Her udvikler og tester forskerholdet en transaktiv energikoordineringsordning og en detailmarkedsplads. Tilgangen omfatter også brugen af ​​PNNL-udtænkte transaktive softwareagenter.

En virksomhed på størrelse med Texas

Texas' primære elnet (ERCOT) dannede grundlaget for PNNL's analyse. Forskere skabte meget detaljerede modeller, der repræsenterede ERCOT-strømnetværket, herunder mere end 100 elproduktionskilder og 40 forskellige hjælpeprogrammer, der opererer på transmissionssystemet. Analysen omfattede også detaljerede repræsentationer af 60.000 hjem og virksomheder samt deres energiforbrugende apparater. Forskere brugte modellerne til at udføre flere simuleringer under forskellige scenarier for produktion af vedvarende energi. Hver simulering demonstrerede, hvordan energisystemet ville reagere på tilføjelsen af ​​forskellige mængder af intermitterende strømkilder, såsom vind og sol. Forskerholdet udviklede også en detaljeret økonomisk model for at forstå de årlige omkostningspåvirkninger for operatører og kunder. Til sidst så de på forhåndsomkostninger forbundet med udgifter til arbejdskraft og software samt omkostningerne til at købe og installere smarte enheder i hjem og virksomheder.

Et andet vigtigt mål med undersøgelsen omfattede evaluering af virkningen af ​​en ny slags mediator i netøkonomien. Denne enhed, kaldet en distributionssystemoperatør, ville være forpligtet til at administrere et net, der har flere energikilder, der ejes og drives af forskellige enheder, som alle bidrager med energi til nettet på forskellige tidspunkter og mængder. Derudover ville denne distributionssystemoperatør forhandle de transaktioner med kunder, der tillader fleksibel belastningskontrol. Målet ville være at understøtte en effektiv og pålidelig netdrift. Undersøgelsen bekræftede værdien af ​​at etablere enheder, såsom en distributionssystemoperatør, til at styre transaktiv energi.

Samlet set viste PNNL-forskningen klare fordele ved at genskabe, hvordan elnettet kunne rumme en fremtid, hvor ren vedvarende energi er en meget større bidragyder, og flere af vores transportbehov afhænger af let adgang til elektricitet.

"Disse resultater giver et stærkt argument for investeringer i skalerede implementeringer af transaktive energisystemer," sagde Christopher Irwin, en programleder for Office of Electricity, Department of Energy, i sine Smart Grid-standarder og interoperabilitetsbestræbelser. "Efterhånden som nationen bevæger sig mod en kulstoffri fremtid, kan et mere tilpasningsdygtigt energisystem hjælpe med at accelerere den bredere udbredelse af elektriske køretøjer, solenergi og omdannelsen af ​​hjem og bygninger til rene elkilder."

Ud over Reeve, PNNL-forskere Steve Widergren, Rob Pratt, Bishnu Bhattarai, Sarmad Hanif, Sadie Bender, Trevor Hardy, Mitch Pelton, Ankit Singhal, Fernando Bereta dos Reis, Ahmad Tbaileh, Matt Oster, Tianzhixi Yin, Laurentiu Marinovici og Sarah Barrows alle bidrog til forskningen og skrev de endelige rapporter. Undersøgelsen blev støttet af Energiministeriets kontor for elektricitet.