En ny plan som erbjuder partnerskap för att hålla USA:s elnät stabilt och pålitligt kan vara en win-win för konsumenter och elnätsoperatörer.

Den största simuleringen någonsin i sitt slag, modellerad på Texas elnät, drog slutsatsen att konsumenter kommer att spara cirka 15 procent på sin årliga elräkning genom att samarbeta med elbolag. I det här systemet skulle konsumenterna samordna med sin elnätsoperatör för att dynamiskt styra stora energianvändare, som värmepumpar, varmvattenberedare och laddningsstationer för elfordon.

Denna typ av flexibel kontroll över energiförsörjning och användningsmönster kallas "transaktiv" eftersom den förlitar sig på ett avtal mellan konsumenter och allmännyttiga företag. Men ett transaktivt energisystem har aldrig använts i stor skala, och det finns en hel del okända. Det är därför Department of Energy's Office of Electricity uppmanade de transaktiva energiexperterna vid Pacific Northwest National Laboratory att studera hur ett sådant system kan fungera i praktiken. Den slutliga rapporten med flera volymer släpptes idag.

Hayden Reeve, en PNNL expert på transaktiv energi och teknisk rådgivare, ledde ett team av ingenjörer, ekonomer och programmerare som designade och utförde studien.

"Eftersom Texass nät är ganska representativt för landets energisystem, möjliggjorde det inte bara modellering och simulering av transaktiva koncept utan gav en tillförlitlig extrapolering av resultaten och potentiella ekonomiska effekter för det bredare USA-nätet och kunderna", sa han.

Simuleringen visade att om ett transaktivt energisystem skulle installeras på elnätet Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) skulle toppbelastningarna minska med 9 till 15 procent. Dessa besparingar kan översättas till ekonomiska fördelar på upp till 5 miljarder dollar årligen bara i Texas, eller upp till 50 miljarder dollar årligen om de distribueras över hela det kontinentala USA. Besparingarna skulle motsvara den årliga produktionen av 180 koleldade kraftverk nationellt.

Klippa ut det bruna

Vid det här laget har de flesta människor upplevt eller bevittnat hur extrema väderförhållanden eller naturkatastrofer kan orsaka förödelse på våra nuvarande eldistributionssystem. Den sårbarheten förstärks av vårt beroende av ett fåtal centraliserade kraftkällor och ett nätsystem som ibland kämpar för att matcha utbud med efterfrågan. Vidare kommer avkolning av elnätet att innebära att mer och mer kraft kommer från olika typer av förnybara energikällor, som vind och sol. Så det är viktigt att undvika plötsliga toppar eller nedgångar – bruna eller svarta utslag.

Studiens resultat tyder på att ett transaktivt energisystem skulle minska de dagliga lastsvängningarna med 20 till 44 procent. Och när fler elfordon tas i bruk visade studien, kanske kontraintuitivt, att smarta laddningsstationer för fordon ger ännu större minskningar av elektriska topplast eftersom de erbjuder ytterligare flexibilitet i schemalagda laddningstider och energiförbrukning.

"Ett smart nät kan fungera som en stötdämpare och balansera ut bristande överensstämmelse mellan utbud och efterfrågan," sa Reeve. "Genom vår studie försökte vi förstå hur värdefull effektiv samordning av elnätet kan vara för nationen, företag och kunder. Att arbeta med kommersiella fastighetsägare och konsumenter för att automatiskt justera energianvändningen är ett praktiskt, vinn-vinn-steg mot avkarbonisering av el-, byggnads- och transportsektorerna utan att kompromissa med komforten och säkerheten för deltagande hem och företag."

En nyckelkomponent i denna strategi är införandet av smarta apparater och lastkontroller. Dessa dynamiska resurser kan lära sig att konsumera energi mer effektivt, justera användningen under korta perioder för att frigöra el för andra behov. Till exempel, istället för att ladda ett elfordon tidigt på kvällen när energiefterfrågan och priset är högt, skulle transaktiva energideltagare förlita sig på en smart lastkontroll för att fördröja laddningen av sitt fordon tills efterfrågan är låg och elen billigare. Detta tillvägagångssätt minskar inte bara stressen på den befintliga nätinfrastrukturen, det ger företagen mer tid att planera för nästa generations energilagrings- och distributionsinfrastruktur som för närvarande är under utveckling.

Transaktiv energi:En central komponent

I ett transaktivt energisystem är elnätet, bostäder, kommersiella byggnader, elektriska apparater och laddstationer i ständig kontakt. Smarta enheter får en prognos över energipriser vid olika tidpunkter på dygnet och utvecklar en strategi för att möta konsumenternas preferenser samtidigt som kostnaden och den totala efterfrågan på el minskar. En lokal detaljhandelsmarknad samordnar i sin tur den totala efterfrågan med den större grossistmarknaden. Alla parter förhandlar om energianskaffning och energiförbrukningsnivåer, kostnad, tidpunkt och leverans i ett dynamiskt prissättningssystem.

Även om detta koncept kan tyckas futuristiskt, är det fullt möjligt att åstadkomma och används redan i ett demonstrationsprojekt i staden Spokanes ekodistrikt. Här utvecklar och testar forskargruppen ett transaktivt energisamordningssystem och en detaljhandelsmarknad. Tillvägagångssättet inkluderar också användningen av PNNL-utformade transaktiva mjukvaruagenter.

Ett företag lika stort som Texas

Texass primära elnät (ERCOT) låg till grund för PNNL:s analys. Forskare skapade mycket detaljerade modeller som representerade ERCOT-kraftnätverket, inklusive mer än 100 kraftgenereringskällor och 40 olika verktyg som arbetar på transmissionssystemet. Analysen inkluderade också detaljerade representationer av 60 000 hem och företag, samt deras energikrävande apparater. Forskare använde modellerna för att utföra flera simuleringar under olika scenarier för generering av förnybar energi. Varje simulering visade hur energisystemet skulle reagera på tillägg av olika mängder intermittenta kraftkällor, såsom vind och sol. Forskargruppen utvecklade också en detaljerad ekonomisk modell för att förstå de årliga kostnadseffekterna för operatörer och kunder. Slutligen tittade de på förskottskostnader förknippade med kostnader för arbete och programvara, samt kostnaderna för att köpa och installera smarta enheter i hem och företag.

Ett annat viktigt mål med studien var att utvärdera effekten av en ny typ av medlare i nätekonomin. Denna enhet, som kallas en systemansvarig för distributionssystemet, skulle vara skyldig att hantera ett nät som har flera energikällor som ägs och drivs av olika enheter, som alla bidrar med energi till nätet vid olika tidpunkter och mängder. Dessutom skulle denna systemansvarig för distributionsnätet förhandla om de transaktioner med kunder som tillåter flexibel lastkontroll. Målet skulle vara att stödja en effektiv och tillförlitlig nätdrift. Studien bekräftade värdet av att etablera enheter, såsom en distributionssystemoperatör, för att hantera transaktiv energi.

Sammantaget visade PNNL-forskningen tydliga fördelar med att ompröva hur elnätet skulle kunna rymma en framtid där ren förnybar energi är en mycket större bidragsgivare och mer av våra transportbehov är beroende av enkel tillgång till el.

"Dessa resultat ger ett starkt argument för investeringar i skalade distributioner av transaktiva energisystem", säger Christopher Irwin, en programledare för Office of Electricity, Department of Energy, i sina Smart Grid-standarder och interoperabilitetsansträngningar. "När nationen går mot en koldioxidfri framtid kan ett mer anpassningsbart energisystem hjälpa till att påskynda den bredare utbyggnaden av elfordon, solenergi och omvandlingen av hem och byggnader till rena elkällor."

Förutom Reeve, PNNL-forskarna 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 och Sarah Barrows alla bidrog till forskningen och skrev slutrapporterna. Studien fick stöd av Department of Energy's Office of Electricity.