Умная сеть для стабильного и надежного электроснабжения

Крупнейшее в своем роде моделирование, созданное по образцу энергосистемы Техаса, показало, что потребители могут сэкономить около 15 процентов своих ежегодных счетов за электроэнергию, сотрудничая с коммунальными службами. В этой системе потребители будут координировать свои действия со своим оператором электроснабжения для динамического управления крупными потребителями энергии, такими как тепловые насосы, водонагреватели и зарядные станции для электромобилей.

Этот вид гибкого контроля над схемами энергоснабжения и использования называется «транзакционным», поскольку он основан на соглашении между потребителями и коммунальными службами. Но трансактивная энергетическая система никогда не развертывалась в больших масштабах, и есть много неизвестных. Вот почему Управление электроэнергетики Министерства энергетики обратилось к экспертам по транзакционной энергии из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории для изучения того, как такая система может работать на практике.

Хейден Рив, эксперт по транзакционной энергетике и технический консультант PNNL, возглавлял группу инженеров, экономистов и программистов, которые разработали и провели исследование.

«Поскольку энергосистема Техаса вполне репрезентативна для энергетической системы страны, она не только позволила моделировать и симулировать трансактивные концепции, но и обеспечила надежную экстраполяцию результатов и потенциального экономического воздействия на более широкую энергосистему США и клиентов», — сказал он.

Моделирование показало, что если в сети Техасского совета по надежности электроснабжения (ERCOT) будет развернута трансактивная энергетическая система, пиковые нагрузки будут снижены на 9–15 процентов. Эта экономия может привести к экономической выгоде в размере до 5 миллиардов долларов в год только в Техасе или до 50 миллиардов долларов в год при развертывании по всей континентальной части Соединенных Штатов. Экономия будет равна годовой выработке 180 угольных электростанций в стране.

К настоящему времени большинство людей испытали или стали свидетелями того, как экстремальные погодные условия или стихийные бедствия могут нанести ущерб нашим системам распределения электроэнергии. Эта уязвимость усугубляется тем, что мы полагаемся на несколько централизованных источников энергии и энергосистему, которая иногда с трудом справляется со спросом. Кроме того, декарбонизация электросети будет означать, что все больше и больше энергии будет поступать из различных видов возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце. Таким образом, избегание внезапных всплесков или спадов — коричневых или черных провалов — становится первостепенной задачей.

Результаты исследования показывают, что трансактивная энергетическая система уменьшит ежедневные колебания нагрузки на 20–44 процента. Исследование показало, что по мере того, как все больше электромобилей используется, интеллектуальные зарядные станции для транспортных средств обеспечивают еще большее снижение пиковой электрической нагрузки, поскольку они обеспечивают дополнительную гибкость в планировании времени зарядки и энергопотребления.

«Умная сеть может выступать в качестве амортизатора, уравновешивая несоответствие между спросом и предложением», — сказал Рив.

Одним из ключевых компонентов этой стратегии является внедрение интеллектуальных устройств и средств управления нагрузкой. Эти динамические ресурсы могут научиться более эффективно потреблять энергию, корректируя ее использование на короткие периоды, чтобы высвободить электроэнергию для других нужд. Например, вместо зарядки электромобиля ранним вечером, когда спрос на энергию и цена высоки, участники транзакционной энергетики будут полагаться на интеллектуальное управление нагрузкой, чтобы отложить зарядку своего автомобиля до тех пор, пока спрос не снизится и электроэнергия не подешевеет. Такой подход не только снижает нагрузку на существующую сетевую инфраструктуру, но и дает коммунальным предприятиям больше времени для планирования инфраструктуры хранения и распределения энергии следующего поколения, которая в настоящее время находится в разработке.

В трансактивной энергетической системе электросеть, дома, коммерческие здания, электроприборы и зарядные станции находятся в постоянном контакте. Умные устройства получают прогноз цен на электроэнергию в разное время суток и разрабатывают стратегию для удовлетворения потребительских предпочтений при одновременном снижении затрат и общего спроса на электроэнергию. Местный розничный рынок, в свою очередь, координирует общий спрос с более крупным оптовым рынком. Все стороны договариваются об уровнях закупки и потребления энергии, стоимости, сроках и доставке в динамической схеме ценообразования.

Эта концепция уже используется в демонстрационном проекте в экорайоне города Спокан. Здесь исследовательская группа разрабатывает и тестирует схему координации активной энергии и розничный рынок. Этот подход также включает использование транзакционных программных агентов, разработанных PNNL.

Первичная энергосистема Техаса (ERCOT) послужила основой для более широкого анализа PNNL. Исследователи создали очень подробные модели, которые представляли энергосистему ERCOT, включая более 100 источников выработки электроэнергии и 40 различных коммунальных услуг, работающих в системе передачи. Анализ также включал подробные изображения 60 000 домов и предприятий, а также их энергоемких приборов.

Исследователи использовали модели для проведения нескольких симуляций при различных сценариях производства возобновляемой энергии. Каждое моделирование демонстрировало, как энергетическая система будет реагировать на добавление различного количества прерывистых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия. Исследовательская группа также разработала подробную экономическую модель, чтобы понять влияние годовых затрат на операторов и клиентов. Наконец, они рассмотрели первоначальные затраты, связанные с затратами на рабочую силу и программное обеспечение, а также затраты на покупку и установку интеллектуальных устройств в домах и на предприятиях.

Еще одна важная цель исследования заключалась в оценке влияния нового вида посредника на грид-экономику. Эта организация, называемая оператором распределительной системы, должна будет управлять сетью, в которой есть несколько источников энергии, принадлежащих и управляемых отдельными организациями, и все они вносят энергию в сеть в разное время и в разное время. Кроме того, этот оператор распределительной системы будет договариваться с клиентами о транзакциях, позволяющих гибко контролировать нагрузку.

В целом, исследование PNNL показало очевидные преимущества переосмысления того, как электросеть может обеспечить будущее, в котором чистая возобновляемая энергия будет играть гораздо большую роль, а наши транспортные потребности будут зависеть от легкого доступа к электричеству.