Een nieuw plan dat een partnerschap biedt om het elektriciteitsnet van de Verenigde Staten stabiel en betrouwbaar te houden, kan een win-winsituatie zijn voor consumenten en nutsbedrijven.

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 met hun elektriciteitsbedrijf afstemmen om grote energieverbruikers, zoals warmtepompen, boilers en oplaadstations 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. Het laatste multi-volume rapport is vandaag vrijgegeven.

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 elektriciteitsnet van Texas 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 mogelijke 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.

Het bruine eruit snijden

Inmiddels hebben de meeste mensen ervaren of gezien hoe extreme weersomstandigheden of natuurrampen grote schade kunnen aanrichten aan onze huidige 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. Dus het vermijden van plotselinge pieken of dalen - stroomstoringen of black-outs - wordt 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, misschien contra-intuïtief, 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 fungeren als een schokdemper en de mismatch tussen vraag en aanbod uitbalanceren", zei Reeve. "Door ons onderzoek hebben we geprobeerd te begrijpen hoe waardevol effectieve coördinatie van het elektriciteitsnet zou kunnen zijn voor het land, nutsbedrijven en klanten. Werken met eigenaren van commerciële gebouwen en consumenten om het energieverbruik automatisch aan te passen, is een praktische, win-win-stap naar de decarbonisatie van de elektriciteits-, bouw- en transportsector zonder afbreuk te doen aan het comfort en de veiligheid van deelnemende huizen en bedrijven."

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 plannen te maken voor de volgende generatie energieopslag- en distributie-infrastructuur die momenteel in ontwikkeling is.

Transactieve energie:een centraal onderdeel

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.

Hoewel dit concept misschien futuristisch lijkt, is het heel goed mogelijk om te bereiken en wordt het al toegepast 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.

Een onderneming zo groot als Texas

Het primaire elektriciteitsnet van Texas (ERCOT) vormde de basis voor de 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 woningen 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. Het doel zou zijn om een ​​efficiënte en betrouwbare werking van het net te ondersteunen. De studie bevestigde de waarde van het oprichten van entiteiten, zoals een distributiesysteembeheerder, om transactieve energie te beheren.

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.

"Deze bevindingen pleiten sterk voor investeringen in geschaalde implementaties van transactieve energiesystemen", zegt Christopher Irwin, programmamanager voor het Office of Electricity, Department of Energy, over zijn Smart Grid-normen en interoperabiliteitsinspanningen. "Terwijl het land op weg is naar een koolstofvrije toekomst, kan een meer aanpasbaar energiesysteem de bredere inzet van elektrische voertuigen, zonne-energie en de conversie van huizen en gebouwen naar schone elektriciteitsbronnen helpen versnellen."

Naast Reeve, PNNL-onderzoekers 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 en Sarah Barrows allen hebben bijgedragen aan het onderzoek en het schrijven van de eindrapporten. De studie werd ondersteund door het Department of Energy's Office of Electricity.