Smart Grid voor stabiele, betrouwbare elektriciteitsvoorziening

De grootste simulatie ooit in zijn soort, gemodelleerd naar het elektriciteitsnet van Texas, concludeerde dat consumenten ongeveer 15 procent kunnen besparen op hun jaarlijkse elektriciteitsrekening door samen te werken met nutsbedrijven. In dit systeem zouden consumenten afstemmen met hun elektriciteitsbedrijf om grote energieverbruikers, zoals warmtepompen, boilers en laadstations voor elektrische voertuigen, dynamisch te regelen.

Dit soort flexibele controle over energievoorzienings- en gebruikspatronen wordt 'transactief' genoemd omdat het gebaseerd is op een overeenkomst tussen consumenten en nutsbedrijven. Maar een transactief energiesysteem is nog nooit op grote schaal ingezet en er zijn veel onbekenden. Daarom deed het Department of Energy's Office of Electricity een beroep op de experts op het gebied van transactieve energie van het Pacific Northwest National Laboratory om te onderzoeken hoe een dergelijk systeem in de praktijk zou kunnen werken.

Hayden Reeve, een PNNL-expert op het gebied van transactieve energie en technisch adviseur, leidde een team van ingenieurs, economen en programmeurs die het onderzoek hebben ontworpen en uitgevoerd.

"Omdat het Texas-net behoorlijk representatief is voor het energiesysteem van het land, maakte het niet alleen de modellering en simulatie van transactieve concepten mogelijk, maar bood het ook een betrouwbare extrapolatie van de resultaten en potentiële economische gevolgen voor het bredere Amerikaanse net en klanten," zei hij.

De simulatie toonde aan dat als een transactief energiesysteem zou worden ingezet op het elektriciteitsnet van de Electric Reliability Council of Texas (ERCOT), piekbelastingen met 9 tot 15 procent zouden worden verminderd. Die besparingen zouden zich kunnen vertalen in economische voordelen tot $ 5 miljard per jaar in Texas alleen, of tot $ 50 miljard per jaar als ze in de hele continentale Verenigde Staten worden ingezet. De besparing zou gelijk zijn aan de jaarlijkse productie van 180 kolencentrales op nationaal niveau.

Inmiddels hebben de meeste mensen ervaren of gezien hoe extreme weersomstandigheden of natuurrampen grote schade kunnen aanrichten aan onze stroomdistributiesystemen. Die kwetsbaarheid wordt vergroot door onze afhankelijkheid van een paar gecentraliseerde stroombronnen en een netwerksysteem dat soms moeite heeft om vraag en aanbod op elkaar af te stemmen. Verder zal decarbonisatie van het elektriciteitsnet betekenen dat steeds meer stroom zal komen van verschillende soorten hernieuwbare energiebronnen, zoals wind en zon. Het vermijden van plotselinge pieken of dalen - bruine of black-outs - wordt dus van het grootste belang.

De onderzoeksresultaten geven aan dat een transactief energiesysteem de dagelijkse belastingswisselingen met 20 tot 44 procent zou verminderen. En naarmate er meer elektrische voertuigen in gebruik komen, toonde het onderzoek aan dat slimme oplaadstations voor voertuigen nog grotere elektrische piekbelastingsverminderingen bieden omdat ze extra flexibiliteit bieden in geplande oplaadtijden en stroomverbruik.

"Een smart grid kan als schokdemper fungeren en de mismatch tussen vraag en aanbod uitbalanceren", zei Reeve.

Een belangrijk onderdeel van deze strategie is het gebruik van slimme apparaten en laadregelingen. Deze dynamische bronnen kunnen leren hoe ze energie efficiënter kunnen verbruiken, door hun gebruik voor korte perioden aan te passen om elektriciteit vrij te maken voor andere behoeften. Bijvoorbeeld, in plaats van een elektrisch voertuig in de vroege avond op te laden, wanneer de vraag naar en de prijs van energie hoog is, zouden deelnemers aan transactieve energie vertrouwen op een slimme laadregeling om het opladen van hun voertuig uit te stellen totdat de vraag laag is en elektriciteit goedkoper. Deze aanpak vermindert niet alleen de belasting van de bestaande netwerkinfrastructuur, maar geeft nutsbedrijven ook meer tijd om te plannen voor de volgende generatie energieopslag- en distributie-infrastructuur die momenteel in ontwikkeling is.

In een transactief energiesysteem staan ​​het elektriciteitsnet, woningen, bedrijfsgebouwen, elektrische apparaten en laadpalen voortdurend met elkaar in contact. Slimme apparaten ontvangen op verschillende tijdstippen van de dag een voorspelling van de energieprijzen en ontwikkelen een strategie om aan de voorkeuren van de consument te voldoen en tegelijkertijd de kosten en de algehele vraag naar elektriciteit te verlagen. Een lokale retailmarkt coördineert op zijn beurt de totale vraag met de grotere groothandelsmarkt. Alle partijen onderhandelen over energie-inkoop- en verbruiksniveaus, kosten, timing en levering in een dynamisch prijsschema.

Dit concept wordt al ingezet in een demonstratieproject in de stad Spokane's Eco-District. Hier ontwikkelt en test het onderzoeksteam een ​​transactief energiecoördinatieschema en een retailmarktplaats. De aanpak omvat ook het gebruik van door PNNL bedachte transactieve software-agents.

Het primaire elektriciteitsnet van Texas (ERCOT) vormde de basis voor de bredere analyse van PNNL. Onderzoekers creëerden zeer gedetailleerde modellen die het ERCOT-stroomnetwerk vertegenwoordigden, waaronder meer dan 100 energieopwekkingsbronnen en 40 verschillende nutsbedrijven die op het transmissiesysteem werken. De analyse omvatte ook gedetailleerde weergaven van 60.000 huizen en bedrijven, evenals hun energieverbruikende apparaten.

Onderzoekers gebruikten de modellen om meerdere simulaties uit te voeren onder verschillende scenario's voor het opwekken van hernieuwbare energie. Elke simulatie liet zien hoe het energiesysteem zou reageren op de toevoeging van verschillende hoeveelheden intermitterende stroombronnen, zoals wind en zon. Het onderzoeksteam ontwikkelde ook een gedetailleerd economisch model om inzicht te krijgen in de jaarlijkse kosteneffecten voor operators en klanten. Ten slotte keken ze naar de initiële kosten in verband met arbeids- en softwarekosten, evenals de kosten voor het kopen en installeren van slimme apparaten in huizen en bedrijven.

Een ander belangrijk doel van de studie was het evalueren van de impact van een nieuw soort bemiddelaar in de netwerkeconomie. Deze entiteit, een distributiesysteembeheerder genoemd, zou een net moeten beheren met meerdere energiebronnen die eigendom zijn van en worden beheerd door verschillende entiteiten, die allemaal op verschillende tijdstippen en hoeveelheden energie aan het net bijdragen. Bovendien zou deze distributienetbeheerder met klanten onderhandelen over de transacties die een flexibele belastingcontrole mogelijk maken.

Over het algemeen liet het PNNL-onderzoek duidelijke voordelen zien van het opnieuw bedenken van hoe het elektriciteitsnet een toekomst zou kunnen accommoderen waarin schone, hernieuwbare energie een veel grotere bijdrage levert en meer van onze transportbehoeften afhankelijk zijn van gemakkelijke toegang tot elektriciteit.