Slimme netwerk: Veilige, betrouwbare stroom voor elk huis

De grootste simulatie ooit van zijn soort, gemodelleerd op het Texas-energienetwerk, concludeerde dat consumenten ongeveer 15 procent op hun jaarlijkse elektriciteitsrekening kunnen besparen door samen te werken met nutbedrijven. In dit systeem zouden consumenten coördineren met hun elektriciteitsnetbeheerder om grote energiegebruikers, zoals warmtepompen, waterverwarmers en laadstations voor elektrische voertuigen, dynamisch te sturen.

Transactieve energie

Deze soort flexibele controle over energie-aanbod en -gebruikspatronen heet „transactief” omdat het berust op een overeenkomst tussen consumenten en nutbedrijven. Maar een transactief energiesysteem is nog nooit op grote schaal geïmplementeerd, en er zijn veel onbekenden. Daarom roep het Department of Energy's Office of Electricity de transactieve energie-experts van Pacific Northwest National Laboratory in om te bestuderen hoe zo'n systeem in de praktijk zou werken.

Hayden Reeve, een PNNL transactieve energie-expert en technisch adviseur, leidde een team van ingenieurs, economen en programmeurs die de studie ontwierpen en uitvoerden.

„Omdat Texas' netwerk redelijk representatief is voor het landelijke energiesysteem, maakte het niet alleen de modellering en simulatie van transactieve concepten mogelijk, maar leverde het ook een betrouwbare extrapolatie van de resultaten en potentiële economische impacten op het bredere Amerikaanse netwerk en klanten,” zei hij.

Simulatieresultaten

De simulatie toonde aan dat als een transactief energiesysteem geïmplementeerd zou worden op het Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) netwerk, piekbelasting met 9 tot 15 procent zou worden verminderd. Die besparing kan vertaald worden naar economische voordelen van maximaal $5 miljard per jaar in alleen Texas, of tot $50 miljard per jaar als landelijk geïmplementeerd. De besparing zou gelijk zijn aan de jaarlijkse productie van 180 kolencentrales landelijk.

Tegenwoordig hebben de meeste mensen ervaren of getuige geweest hoe weerextremen of natuurrampen ons energieverdeelingsysteem in de war kunnen brengen. Die kwetsbaarheid wordt verergerd door onze afhankelijkheid van een paar gecentraliseerde energiebronnen en een netwerksysteem dat soms worstelt om aanbod en vraag te matchen. Bovendien zal deontkoolstofing van het elektriciteitsnetwerk betekenen dat steeds meer stroom afkomstig zal zijn van verschillende hernieuwbare energiebronnen, zoals wind en zon. Het vermijden van plotselinge pieken of dalen – bruine of zwarte uitvallen – wordt dan cruciaal.

De studiovindingen wijzen erop dat een transactief energiesysteem de dagelijkse belastingsschommelingen met 20 tot 44 procent zou verminderen. En naarmate meer elektrische voertuigen in gebruik komen, toonde de studie aan dat slimme laadstations nog grotere piekbelastingreducties bieden omdat ze extra flexibiliteit bieden in geplande laadtijden en stroomverbruik.

„Een slim netwerk kan fungeren als een schokdemper, het balanceren van mismatches tussen aanbod en vraag,” zei Reeve.

Slimme apparaten en laadcontrole

Een sleutelcomponent van deze strategie is de adoptie van slimme apparaten en laadcontroles. Deze dynamische bronnen kunnen leren om energie efficiënter te consumeren, hun gebruik voor korte periodes aanpassen om elektriciteit vrij te maken voor andere behoeften. Bijvoorbeeld, in plaats van een elektrisch voertuig 's avroons te laden wanneer energievraag en prijs hoog is, zouden transactieve energiedeelnemers vertrouwen op een slimme laadcontrole om het laden van hun voertuig uit te stellen tot de vraag laag is en elektriciteit goedkoper. Deze benadering vermindert niet alleen de stress op de bestaande netwerkinfrastructuur, maar stelt nutbedrijven ook meer tijd in om te plannen voor de energietopslag- en verdelingsinfrastructuur van de volgende generatie die momenteel in ontwikkeling is.

In een transactief energiesysteem staan het energienetwerk, huizen, commerciële gebouwen, elektrische apparaten en laadstations in constant contact. Slimme apparaten ontvangen een voorspelling van energieprijzen op verschillende tijden van de dag en ontwikkelen een strategie om consumentenvoorkeuren te vervullen terwijl kosten en algehele elektriciteitsvraag worden verminderd. Een lokale detailmarkt coördineert de algehele vraag met de grotere groothandelmark. Alle partijen onderhandelen over energie-aankoop en -verbruik, kosten, timing en levering in een dynamisch prijsmodel.

Dit concept wordt al geïmplementeerd in een demonstratieproject in de Eco-District van de stad Spokane. Hier ontwikkelt en test het onderzoeks team een transactieve energiecoördinatieschema en detailmarktplats. De benadering omvat ook het gebruik van door PNNL ontwikkelde transactieve software-agents.

Texas' primaire energienetwerk (ERCOT) vormde de basis voor PNNL's bredere analyse. Onderzoekers creëerden gedetailleerde modellen die het ERCOT-energienetwerk vertegenwoordigen, inclusief meer dan 100 opwekkingbronnen en 40 verschillende nutbedrijven die op het transmissiesysteem opereren. 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 diverse hernieuwbare energie-opwekkingsscenario's. Elke simulatie demonstreerde hoe het energiesysteem zou reageren op de toevoeging van variabele hoeveelheden intermitterende energiebronnen, zoals wind en zon. Het onderzoeks team ontwikkelde ook een gedetailleerd economisch model om de jaarkostenimpact voor operators en klanten te begrijpen. Ten slotte keken ze naar voorafgaande kosten verbonden met arbeid en software-uitgaven, 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 nieuwe soort bemiddelaar in de netwerkeconomie. Deze entiteit, een distributiesysteembeheerder genoemd, zou vereist zijn om een netwerk te beheren dat meerdere energiebronnen heeft die eigendom zijn van en worden bedreven door verschillende entiteiten, allemaal bijdragend aan het netwerk op verschillende tijden en hoeveelheden. Daarnaast zou deze distributiesysteembeheerder de transacties met klanten onderhandelen die flexibele laadcontrole toestaan.

Over het algemeen toonde het PNNL-onderzoek duidelijke voordelen van het herimagineren hoe het elektriciteitsnetwerk een toekomst kan accommoderen waarin schone hernieuwbare energie een veel grotere bijdrager is en meer van onze transportbehoeften afhankelijk zijn van bereikbare elektriciteit.