安定した信頼性の高い電力供給のためのスマートグリッド

テキサスの電力網をモデルにしたこの種のシミュレーションはこれまでで最大であり、消費者は電力会社と提携することで年間の電気料金を約15％節約できると結論付けました。このシステムでは、消費者は電力会社と連携して、ヒートポンプ、給湯器、電気自動車の充電ステーションなどの大規模なエネルギーユーザーを動的に制御します。

エネルギー供給と使用パターンに対するこの種の柔軟な制御は、消費者と公益事業者の間の合意に依存しているため、「トランザクション」と呼ばれます。しかし、トランザクティブエネルギーシステムが大規模に導入されたことはなく、未知数がたくさんあります。そのため、エネルギー省の電力局は、パシフィックノースウェスト国立研究所のトランザクティブエネルギーの専門家に、このようなシステムが実際にどのように機能するかを調査するよう求めました。

PNNLトランザクティブエネルギーの専門家でありテクニカルアドバイザーであるHaydenReeveは、調査を設計および実行したエンジニア、エコノミスト、プログラマーのチームを率いていました。

「テキサスのグリッドは国のエネルギーシステムを非常に代表しているため、トランザクティブコンセプトのモデリングとシミュレーションを可能にするだけでなく、結果の信頼できる外挿と、より広い米国のグリッドと顧客への潜在的な経済的影響を提供しました」と彼は言いました。

シミュレーションでは、テキサス電気信頼性評議会（ERCOT）グリッドにトランザクティブエネルギーシステムを導入すると、ピーク負荷が9〜15％減少することが示されました。その節約は、テキサスだけで年間最大50億ドル、または米国本土全体に展開された場合は年間最大500億ドルの経済的利益につながる可能性があります。節約額は、全国で180の石炭火力発電所の年間生産量に匹敵します。

これまでに、ほとんどの人は、異常気象や自然災害がどのように私たちの配電システムに大混乱をもたらす可能性があるかを経験または目撃しました。この脆弱性は、いくつかの集中型電源と、供給と需要のマッチングに苦労することがあるグリッドシステムへの依存によって拡大されています。さらに、電力網の脱炭素化は、風力や太陽光などのさまざまな種類の再生可能エネルギー源からますます多くの電力が供給されることを意味します。そのため、突然の急上昇や急降下（茶色または停電）を回避することが最も重要になります。

調査結果は、トランザクティブエネルギーシステムが毎日の負荷変動を20〜44パーセント削減することを示しています。また、電気自動車の使用が増えるにつれ、スマートカー充電ステーションは、スケジュールされた充電時間と電力消費の柔軟性を高めるため、電気のピーク負荷をさらに大幅に削減できることが調査で示されました。

「スマートグリッドはショックアブソーバーとして機能し、需要と供給の不一致のバランスを取ります」とリーブ氏は述べています。

この戦略の重要な要素の1つは、スマートアプライアンスと負荷制御の採用です。これらの動的なリソースは、エネルギーをより効率的に消費する方法を学習し、他のニーズのために電力を解放するためにそれらの使用を短期間調整します。たとえば、エネルギー需要と価格が高い夕方に電気自動車を充電する代わりに、トランザクションエネルギーの参加者は、需要が低く電気が安くなるまで車両の充電を遅らせるためにスマート負荷制御に依存します。このアプローチは、既存のグリッドインフラストラクチャへのストレスを軽減するだけでなく、ユーティリティが現在開発中の次世代のエネルギー貯蔵および配電インフラストラクチャを計画するためのより多くの時間を可能にします。

トランザクティブエネルギーシステムでは、電力網、住宅、商業ビル、電化製品、および充電ステーションが常に接触しています。スマートデバイスは、1日のさまざまな時間にエネルギー価格の予測を受け取り、コストと全体的な電力需要を削減しながら、消費者の好みを満たすための戦略を開発します。次に、地元の小売市場は、より大きな卸売市場と全体的な需要を調整します。すべての関係者は、動的な価格設定スキームでエネルギーの調達と消費のレベル、コスト、タイミング、および配信について交渉します。

このコンセプトは、スポケーン市のエコ地区でのデモンストレーションプロジェクトですでに展開されています。ここでは、研究チームがトランザクティブエネルギー調整スキームと小売市場を開発およびテストしています。このアプローチには、PNNLが考案したトランザクティブソフトウェアエージェントの使用も含まれます。

テキサスの主要電力網（ERCOT）は、PNNLのより広範な分析の基礎を提供しました。研究者は、ERCOT電力ネットワークを表す非常に詳細なモデルを作成しました。これには、100を超える発電源と、送電システムで動作する40の異なるユーティリティが含まれます。分析には、60,000の家庭や企業、およびそれらのエネルギーを消費する電化製品の詳細な表現も含まれていました。

研究者は、モデルを使用して、さまざまな再生可能エネルギー生成シナリオの下で複数のシミュレーションを実行しました。各シミュレーションは、風力や太陽光など、さまざまな量の断続的な電源の追加にエネルギーシステムがどのように反応するかを示しました。研究チームはまた、オペレーターと顧客の年間コストへの影響を理解するための詳細な経済モデルを開発しました。最後に、人件費とソフトウェア費用に関連する初期費用と、家庭や企業でのスマートデバイスの購入と設置にかかる費用を調べました。

この調査のもう1つの重要な目標には、グリッド経済における新しい種類のメディエーターの影響を評価することが含まれていました。配電システムオペレーターと呼ばれるこのエンティティは、異なるエンティティによって所有および運用される複数のエネルギー源を持つグリッドを管理する必要があり、すべてが異なる時間と量でグリッドにエネルギーを提供します。さらに、この配電システムオペレーターは、柔軟な負荷制御を可能にする顧客との取引を交渉します。

全体として、PNNLの調査では、クリーンな再生可能エネルギーがはるかに大きな貢献者であり、輸送ニーズの多くが電力への容易なアクセスに依存している未来に電力網がどのように対応できるかを再考することの明らかな利点が示されました。