智能电网将如何为我们的未来供电

在一个可交易的能源系统中,电网、家庭、商业建筑、电器和充电站保持着不断的联系,每年为消费者和公用事业部门节省500亿美元。
图片来源:科特兰·约翰逊太平洋西北国家实验室

重新设计美国电网每年可以为消费者节省500亿美元。

一项为保持美国电网稳定和可靠而提供合作伙伴关系的新计划对消费者和公用事业运营商来说可能是双赢的。

以德州电网为模型的有史以来规模最大的模拟实验得出的结论是,通过与公用事业公司合作,消费者每年可以节省约15%的电费。在这个系统中,消费者会与他们的电力运营商协调,动态地控制大型能源用户,如热泵、热水器和电动汽车充电站。

这种对能源供应和使用模式的灵活控制被称为“交易”,因为它依赖于消费者和公用事业公司之间的协议。但交易能源系统从来没有大规模部署过,还有很多未知因素。这就是为什么美国能源部电力办公室呼吁太平洋西北国家实验室的交易能源专家研究这种系统在实践中如何工作。最后一个多卷报告今天被释放。

海登里夫他领导了一个由工程师、经济学家和程序员组成的团队,设计并执行了这项研究。

他说:“由于德克萨斯州的电网是全国能源系统的典型代表,它不仅使交易概念的建模和模拟成为可能,而且为更广泛的美国电网和客户提供了可靠的结果和潜在的经济影响。”

模拟结果表明,如果在德州电力可靠性委员会(ERCOT)电网中部署一个可交换能源系统,峰值负荷将减少9 - 15%。仅在德克萨斯州,每年节省的资金就可转化为高达50亿美元的经济效益,如果在整个美国大陆部署,每年可转化为高达500亿美元的经济效益。节省下来的能源相当于全国180座燃煤电厂的年产量。

去掉棕色

到目前为止,大多数人都经历过或目睹过极端天气或自然灾害如何对我们现有的配电系统造成破坏。这种脆弱性由于我们依赖少数集中的能源和有时难以满足供需的电网系统而被放大。此外,电网的脱碳将意味着越来越多的电力将来自不同类型的可再生能源,如风能和太阳能。因此,避免突然的尖峰或下降——棕色或黑色——变得至关重要。

研究结果表明,交易能源系统将减少20%至44%的日负荷波动。随着越来越多的电动汽车投入使用,这项研究(或许与直觉相悖)显示,智能汽车充电站能提供更大的电力峰值负荷削减,因为它们在计划充电时间和电力消耗方面提供了额外的灵活性。

“智能电网可以起到减震器的作用,平衡供需之间的不匹配,”里夫说。“通过我们的研究,我们试图了解电网的有效协调对国家、公用事业和客户有多大的价值。与商业建筑业主和消费者合作,自动调整能源使用,是朝着电力、建筑和交通领域的脱碳迈出的务实、双赢的一步,同时又不会损害参与其中的家庭和企业的舒适度和安全。”

这一策略的一个关键组成部分是采用智能电器和负载控制。这些动态资源可以学习如何更有效地消耗能源,在短时间内调整它们的使用,从而腾出电力来满足其他需求。例如,交易能源参与者不会在能源需求和价格较高的傍晚时分给电动汽车充电,而是会依靠智能负载控制延迟给汽车充电,直到需求较低、电费较便宜。这种方法不仅减少了现有网格基础设施的压力,还允许公用事业有更多的时间下一代能源储存计划分销基础设施目前正在开发中。

交换能:一个中心成分

在一个可交易的能源系统中,电网、家庭、商业建筑、电器和充电站是不断接触的。智能设备在一天的不同时间接收到能源价格的预测,并制定策略,以满足消费者的偏好,同时降低成本和整体电力需求。本地零售市场反过来又协调整体需求与更大的批发市场。各方在动态定价方案中协商能源采购和消费水平、成本、时间和交付。

虽然这个概念可能看起来很未来,但它是很有可能实现的,并且已经被部署在斯波坎市生态区的一个示范项目.在这里,研究团队正在开发和测试一个可交易的能源协调方案和零售市场。该方法还包括使用pnnl设计的交互软件代理

一个德克萨斯大小的项目

德州的主要电网(ERCOT)为太平洋西北国家实验室的分析提供了基础。研究人员创建了非常详细的模型,代表ERCOT电网,包括100多个发电源和40个不同的公用事业在传输系统上运行。该分析还包括6万个家庭和企业的详细代表,以及他们的能源消耗电器。研究人员使用这些模型在各种可再生能源发电场景下进行了多次模拟。每个模拟都展示了能源系统如何对不同数量的间歇性电源(如风能和太阳能)的加入做出反应。研究团队还开发了一个详细的经济模型,以了解运营商和客户每年的成本影响。最后,他们研究了与劳动力和软件费用相关的前期成本,以及在家庭和企业中购买和安装智能设备的成本。

该研究的另一个重要目标包括评估一种新型中介在电网经济中的影响。这个实体被称为配电系统运营商,它将被要求管理一个由不同实体拥有和运营的多个能源来源的电网,所有这些能源都在不同的时间和数量为电网贡献能量。此外,该配电系统运营商将与客户协商交易,允许灵活的负载控制。其目标是支持高效可靠的电网运行。该研究证实了建立实体(如分配系统运营商)来管理交易能源的价值。

总的来说,太平洋西北地区的研究表明,重新设想电网能够适应一个清洁可再生能源发挥更大作用的未来,我们的交通需求更多地依赖于现成的电力供应,这显然是有好处的。

“这些发现为大规模部署交易能源系统的投资提供了强有力的理由,”美国能源部电力办公室的项目经理克里斯托弗·欧文(Christopher Irwin)在其智能电网标准和互操作性努力中说。“随着国家朝着零碳未来迈进,一个适应性更强的能源系统可以帮助加速电动汽车、太阳能的广泛应用,以及住宅和建筑向清洁能源的转换。”

除了Reeve,太平洋西北国家实验室的研究人员Steve Widergren、Rob Pratt、Bishnu Bhattarai、sarmadhanif、Sadie Bender、Trevor Hardy、Mitch Pelton、Ankit Singhal、Fernando Bereta dos Reis、Ahmad Tbaileh、Matt Oster、Tianzhixi Yin、Laurentiu Marinovici和Sarah Barrows都参与了研究并撰写了最终报告。这项研究得到了美国能源部电力办公室的支持。

太平洋西北国家实验室利用其独特的优势化学地球科学生物学数据科学提升科学知识,应对挑战可持续能源国家安全.太平洋西北国家实验室成立于1965年,由巴特尔为美国能源部科学办公室运营,是美国物理科学基础研究的最大单一支持者。美国能源部的科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息,请访问https://energy.gov/science.欲知更多有关太平洋西北气象局的资料,请浏览网页太平洋西北国家实验室的新闻中心.跟随我们推特脸谱网LinkedInInstagram

媒体接触

Karyn Hede
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