Ένα αξιόλογο σχέδιο που έχει την ικανότητα να αναβάθμιση στο έπακρο το ηλεκτρικό δίκτυο των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής, το οποίο θα έχει την θετική ιδιότητα να είναι σταθερό και αξιόπιστο θα μπορούσε να είναι ωφέλιμο για τους καταναλωτές και τους φορείς παροχής υπηρεσιών κοινής ωφέλειας.
Η μεγαλύτερη προσομοίωση που έγινε ποτέ στο είδος της, που βασίστηκε στο πρότυπο του ηλεκτρικού δικτύου του Τέξας, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι καταναλωτές μπορούν να εξοικονομήσουν περίπου 15 τοις εκατό στον ετήσιο λογαριασμό του ηλεκτρικού τους, συνεργαζόμενοι με επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας. Σε αυτό το σύστημα, οι καταναλωτές θα συντονιστούν με τον πάροχο ηλεκτρικής ενέργειας για να ελέγχουν δυναμικά τους μεγάλους χρήστες ενέργειας, όπως αντλίες θερμότητας, θερμοσίφωνες και σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων.
Αυτό το είδος ευέλικτου ελέγχου στα πρότυπα παροχής και χρήσης ενέργειας ονομάζεται “συναλλακτικός” επειδή βασίζεται σε μια συμφωνία μεταξύ των καταναλωτών και των επιχειρήσεων κοινής ωφέλειας. Αλλά ένα διαδραστικό ενεργειακό σύστημα δεν έχει αναπτυχθεί ποτέ σε μεγάλη κλίμακα και υπάρχουν πολλά άγνωστα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το Γραφείο Ηλεκτρισμού του Υπουργείου Ενέργειας κάλεσε τους εμπειρογνώμονες της συναλλακτικής ενέργειας στο Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού να μελετήσουν πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει ένα τέτοιο σύστημα στην πράξη. Η τελική πολυτομική έκθεση κυκλοφόρησε σήμερα.
Ο Hayden Reeve, ειδικός και τεχνικός σύμβουλος PNNL στη διαδραστική ενέργεια, ηγήθηκε μιας ομάδας μηχανικών, οικονομολόγων και προγραμματιστών που σχεδίασαν και εκτέλεσαν τη μελέτη.
«Επειδή το δίκτυο του Τέξας είναι αρκετά αντιπροσωπευτικό του ενεργειακού συστήματος της χώρας, όχι μόνο επέτρεψε τη μοντελοποίηση και την προσομοίωση συναλλακτικών εννοιών, αλλά παρείχε μια αξιόπιστη προέκταση των αποτελεσμάτων και των πιθανών οικονομικών επιπτώσεων στο ευρύτερο δίκτυο των Ηνωμένων Πολιτειών και στους πελάτες», είπε.
Η προσομοίωση έδειξε ότι εάν αναπτυσσόταν ένα σύστημα διαδραστικής ενέργειας στο δίκτυο Electric Reliability Council of Texas (ERCOT), τα φορτία αιχμής θα μειωνόταν κατά 9 έως 15 τοις εκατό. Αυτή η εξοικονόμηση θα μπορούσε να μεταφραστεί σε οικονομικά οφέλη έως και 5 δισεκατομμυρίων δολαρίων ετησίως μόνο στο Τέξας ή έως και 50 δισεκατομμυρίων δολαρίων ετησίως εάν αναπτυχθεί σε ολόκληρη την ηπειρωτική χώρα. Η εξοικονόμηση θα ισοδυναμούσε με την ετήσια παραγωγή 180 σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα σε εθνικό επίπεδο.
Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας πιο αποτελεσματικά
Μέχρι τώρα, οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν βιώσει ή έχουν δει πως τα ακραία καιρικά φαινόμενα ή οι φυσικές καταστροφές μπορούν να προκαλέσουν όλεθρο στα σημερινά μας συστήματα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η ευπάθεια μεγεθύνεται από την εξάρτηση μας σε λίγες κεντρικές πηγές ενέργειας και σε ένα σύστημα δικτύου που μερικές φορές αγωνίζεται να συνδυάσει την προσφορά με τη ζήτηση. Επιπλέον, η απαλλαγή του ηλεκτρικού δικτύου από άνθρακα θα σημαίνει ότι όλο και περισσότερη ενέργεια θα προέρχεται από διαφορετικά είδη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως ο άνεμος και η ηλιακή ενέργεια. Έτσι, η αποφυγή ξαφνικών αιχμών ή βυθίσεων – power brown ή black outs – είναι πρωταρχικής σημασίας.
Τα ευρήματα της μελέτης δείχνουν ότι ένα διαδραστικό ενεργειακό σύστημα θα μείωνε τις ημερήσιες μεταβολές φορτίου κατά 20 έως 44 τοις εκατό. Και καθώς χρησιμοποιούνται περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα, η μελέτη, ίσως αντιφατικά, έδειξε ότι οι έξυπνοι σταθμοί φόρτισης οχημάτων παρέχουν ακόμη μεγαλύτερες μειώσεις ηλεκτρικού φορτίου αιχμής, επειδή προσφέρουν πρόσθετη ευελιξία στους προγραμματισμένους χρόνους φόρτισης και στην κατανάλωση ενέργειας.
«Ένα έξυπνο δίκτυο μπορεί να λειτουργήσει ως αμορτισέρ, εξισορροπώντας τις αναντιστοιχίες μεταξύ προσφοράς και ζήτησης», είπε ο Reeve. “Μέσω της μελέτης μας, επιδιώξαμε να κατανοήσουμε πόσο πολύτιμος θα μπορούσε να είναι ο αποτελεσματικός συντονισμός του ηλεκτρικού δικτύου για το έθνος, τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας και τους πελάτες. Η συνεργασία με ιδιοκτήτες εμπορικών κτιρίων και καταναλωτές για την αυτόματη προσαρμογή της χρήσης ενέργειας αντιπροσωπεύει ένα πρακτικό βήμα προς την κατεύθυνση της απαλλαγή από τον άνθρακα των τομέων ηλεκτρισμού, κτιρίων και μεταφορών χωρίς να διακυβεύεται η άνεση και η ασφάλεια των συμμετεχόντων κατοικιών και επιχειρήσεων».
Ένα βασικό στοιχείο αυτής της στρατηγικής είναι η υιοθέτηση έξυπνων συσκευών και ελέγχων φορτίου. Αυτοί οι δυναμικοί πόροι μπορούν να μάθουν πώς να καταναλώνουν ενέργεια πιο αποτελεσματικά, προσαρμόζοντας τη χρήση τους για σύντομες περιόδους για να ελευθερώσουν ηλεκτρική ενέργεια για άλλες ανάγκες. Για παράδειγμα, αντί να φορτίζουν ένα ηλεκτρικό όχημα νωρίς το απόγευμα, όταν η ζήτηση και η τιμή ενέργειας είναι υψηλή, οι συμμετέχοντες στη συναλλακτική ενέργεια θα βασίζονται σε έναν έξυπνο έλεγχο φορτίου για να καθυστερήσουν τη φόρτιση του οχήματός τους έως ότου η ζήτηση είναι χαμηλή και η ηλεκτρική ενέργεια φθηνότερη. Αυτή η προσέγγιση όχι μόνο μειώνει την πίεση στην υπάρχουσα υποδομή δικτύου, αλλά δίνει στις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας περισσότερο χρόνο για να σχεδιάσουν την υποδομή αποθήκευσης και διανομής ενέργειας επόμενης γενιάς που βρίσκεται επί του παρόντος υπό ανάπτυξη.
Transactive Energy: Ένα κεντρικό στοιχείο
Σε ένα διαδραστικό ενεργειακό σύστημα, το ηλεκτρικό δίκτυο, τα σπίτια, τα εμπορικά κτίρια, οι ηλεκτρικές συσκευές και οι σταθμοί φόρτισης βρίσκονται σε συνεχή επαφή. Οι έξυπνες συσκευές λαμβάνουν μια πρόβλεψη των τιμών της ενέργειας σε διάφορες ώρες της ημέρας και αναπτύσσουν μια στρατηγική για να ανταποκρίνονται στις προτιμήσεις των καταναλωτών, μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος και τη συνολική ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Μια τοπική αγορά λιανικής συντονίζει με τη σειρά της τη συνολική ζήτηση με τη μεγαλύτερη αγορά χονδρικής. Όλα τα μέρη διαπραγματεύονται τα επίπεδα προμήθειας και κατανάλωσης ενέργειας, το κόστος, το χρονοδιάγραμμα και την παράδοση σε ένα δυναμικό σύστημα τιμολόγησης.
Αν και αυτή η ιδέα μπορεί να φαίνεται φουτουριστική, είναι πολύ πιθανό να επιτευχθεί και ήδη αναπτύσσεται σε ένα έργο επίδειξης στην πόλη Spokane’s Eco-District. Εδώ, η ερευνητική ομάδα αναπτύσσει και δοκιμάζει ένα διαδραστικό σύστημα συντονισμού ενέργειας και μια αγορά λιανικής. Η προσέγγιση περιλαμβάνει επίσης τη χρήση διαδραστικών πρακτόρων λογισμικού που έχουν επινοηθεί από PNNL.
Μια επιχείρηση στο μέγεθος του Τέξας
Το πρωτεύον δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας του Τέξας (ERCOT) παρείχε τη βάση για την ανάλυση του PNNL. Οι ερευνητές δημιούργησαν εξαιρετικά λεπτομερή μοντέλα που αντιπροσώπευαν το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ERCOT, συμπεριλαμβανομένων περισσότερων από 100 πηγών παραγωγής ενέργειας και 40 διαφορετικών βοηθητικών προγραμμάτων που λειτουργούν στο σύστημα μεταφοράς. Η ανάλυση περιελάμβανε επίσης λεπτομερείς αναπαραστάσεις 60.000 κατοικιών και επιχειρήσεων, καθώς και τις συσκευές τους που καταναλώνουν ενέργεια.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα μοντέλα για να πραγματοποιήσουν πολλαπλές προσομοιώσεις κάτω από διάφορα σενάρια παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Κάθε προσομοίωση έδειχνε πώς το ενεργειακό σύστημα θα αντιδρούσε στην προσθήκη διαφορετικών ποσοτήτων διακοπτόμενων πηγών ενέργειας, όπως η αιολική και η ηλιακή. Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε επίσης ένα λεπτομερές οικονομικό μοντέλο για να κατανοήσει τις ετήσιες επιπτώσεις στο κόστος για τους φορείς εκμετάλλευσης και τους πελάτες. Τελικά,
Ένας άλλος σημαντικός στόχος της μελέτης περιελάμβανε την αξιολόγηση του αντίκτυπου ενός νέου είδους διαμεσολαβητή στην οικονομία του δικτύου. Αυτή η οντότητα, που ονομάζεται διαχειριστής συστήματος διανομής, θα πρέπει να διαχειρίζεται ένα δίκτυο που έχει πολλαπλές πηγές ενέργειας που ανήκουν και λειτουργούν από διακριτές οντότητες, όλες συνεισφέροντας ενέργεια στο δίκτυο σε διαφορετικούς χρόνους και ποσότητες.
Επιπλέον, αυτός ο διαχειριστής του συστήματος διανομής θα διαπραγματευόταν τις συναλλαγές με πελάτες που επιτρέπουν τον ευέλικτο έλεγχο του φορτίου. Στόχος θα ήταν η υποστήριξη της αποτελεσματικής και αξιόπιστης λειτουργίας του δικτύου. Η μελέτη επιβεβαίωσε την αξία της ίδρυσης οντοτήτων, όπως ένας διαχειριστής συστήματος διανομής, για τη διαχείριση της διαδραστικής ενέργειας.
Συνολικά, η έρευνα PNNL έδειξε ξεκάθαρα οφέλη από την επανεξέταση του τρόπου με τον οποίο το ηλεκτρικό δίκτυο θα μπορούσε να φιλοξενήσει ένα μέλλον όπου η καθαρή ανανεώσιμη ενέργεια συνεισφέρει πολύ περισσότερο και περισσότερες από τις μεταφορικές μας ανάγκες εξαρτώνται από την άμεση πρόσβαση στην ηλεκτρική ενέργεια.
«Αυτά τα ευρήματα αποτελούν ισχυρή αιτιολόγηση για επενδύσεις σε κλιμακωτές αναπτύξεις συστημάτων διαδραστικής ενέργειας», δήλωσε ο Christopher Irwin, διευθυντής προγράμματος για το Office of Electricity, Department of Energy, στα πρότυπα Smart Grid και τις προσπάθειες διαλειτουργικότητας. «Καθώς το έθνος κινείται προς ένα μέλλον μηδενικών εκπομπών άνθρακα, ένα πιο προσαρμόσιμο ενεργειακό σύστημα θα μπορούσε να βοηθήσει στην επιτάχυνση της ευρύτερης ανάπτυξης ηλεκτρικών οχημάτων, ηλιακής ενέργειας και της μετατροπής σπιτιών και κτιρίων σε καθαρές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας».
Εκτός από τον Reeve, οι ερευνητές του PNNL Steve Widergren, Rob Pratt, Trevor Hardy, Mitch Pelton, Bishnu Bhattarai, Tianzhixi Yin, Laurentiu Barrowsici, Sarmad Hanif, Sadie Bender, Ankit Singhal, Fernando Bereta dos Reis, Ahmad Tbaileh, Matt Oster, συνέβαλαν όλοι στην έρευνα και στη σύνταξη των τελικών εκθέσεων. Η μελέτη υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Ηλεκτρισμού του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
