Terwijl de zomer aankomt, doen mensen airconditioners aan in de meeste van de VS, maar als je zoals ik bent, voel je je daar altijd een beetje schuldig over. Eerdere generaties beheerd zonder airconditioning – heb ik het echt nodig? En hoe erg is het om al deze elektriciteit te gebruiken om te koelen in een verwarmende wereld?
Als ik mijn airconditioner weglaat, word ik te heet. Maar als iedereen tegelijkertijd zijn airconditioner inschakelt, vraagt elektriciteit, die piekes eisen, die operatoren van elektriciteitsnet kunnen dwingen enkele van de duurste en smerigste, energiecentrales te activeren. Soms kunnen die spikes te veel van het raster vragen en leiden tot brownouts of black -outs.
Onderzoek dat ik onlangs heb gepubliceerd met een team van wetenschappers, geeft me echter een beetje beter. We hebben geconstateerd dat het mogelijk is om de werking van grote aantallen airconditioning-eenheden thuis te coördineren, de vraag en aanbod op het elektriciteitsnet in evenwicht te brengen-en zonder mensen hoge temperaturen in hun huizen te laten doorstaan.
Studies in deze lijnen, met behulp van externe controle van airconditioners om het raster te ondersteunen, hebben al vele jaren theoretische mogelijkheden zoals deze onderzocht. In de praktijk zijn echter weinig benaderingen aangetoond en nooit voor zo’n hoogwaardige toepassing en op deze schaal. Het systeem dat we ontwikkelden, toonde niet alleen het vermogen aan om het raster op tijdschalen van seconden in evenwicht te brengen, maar bewees ook dat het mogelijk was om dit te doen zonder het comfort van bewoners te beïnvloeden.
De voordelen zijn onder meer het vergroten van de betrouwbaarheid van het Power Grid, waardoor het voor het net gemakkelijker wordt om meer hernieuwbare energie te accepteren. Ons doel is om airconditioners te veranderen van een uitdaging voor het power -net in een actief, wat een verschuiving van fossiele brandstoffen naar schonere energie ondersteunt.
Verstelbare apparatuur
Mijn onderzoek richt zich op batterijen, zonnepanelen en elektrische apparatuur – zoals elektrische voertuigen, boilers, airconditioners en warmtepompen – die zichzelf kunnen aanpassen om verschillende hoeveelheden energie op verschillende tijdstippen te consumeren.
Oorspronkelijk werd het US Electric Grid gebouwd om elektriciteit te transporteren van grote energiecentrales naar de huizen en bedrijven van klanten. En oorspronkelijk waren energiecentrales grote, gecentraliseerde operaties die kolen of aardgas verbrandden, of geoogste energie door nucleaire reacties. Deze planten waren meestal altijd beschikbaar en konden zich aanpassen hoeveel vermogen ze hebben gegenereerd als reactie op de vraag van de klant, dus het rooster zou worden afgewogen tussen de stroom die binnenkomt van producenten en door consumenten wordt gebruikt.
Maar het rooster is veranderd. Er zijn meer hernieuwbare energiebronnen, waaruit kracht niet altijd beschikbaar is – zoals zonnepanelen ’s nachts of windturbines op rustige dagen. En er zijn de apparaten en apparatuur die ik bestudeer. Deze nieuwere opties, “gedistribueerde energiebronnen” genoemd, genereren of slaan energie op in de buurt van waar consumenten het nodig hebben – of passen zich aan hoeveel energie ze in realtime gebruiken.
Eén aspect van het raster is echter niet veranderd: er is niet veel opslag ingebouwd in het systeem. Dus elke keer dat je een licht aanzet, is er even niet genoeg elektriciteit om alles te leveren wat het dan wil: het rooster heeft een power -producent nodig om wat meer kracht te genereren. En wanneer u een licht uitschakelt, is er iets te veel: een power -producent moet ophalen.
De manier waarop energiecentrales weten wat realtime stroomaanpassingen nodig zijn, is door de roosterfrequentie nauwlettend te volgen. Het doel is om altijd elektriciteit te bieden op een constante frequentie – 60 Hertz -. Als er meer vermogen nodig is dan wordt geproduceerd, daalt de frequentiedruppels en stimuleert een elektriciteitscentrale de output. Als er te veel kracht wordt geproduceerd, stijgt de frequentie en vertraagt een energiecentrale de productie een beetje. Deze acties, een proces dat ‘frequentieregulering’ wordt genoemd, gebeuren binnen enkele seconden om het rooster in balans te houden.
Deze outputflexibiliteit, voornamelijk van energiecentrales, is de sleutel om de lichten voor iedereen aan te houden.
Nieuwe opties vinden
Ik ben geïnteresseerd in hoe gedistribueerde energiebronnen de flexibiliteit in het raster kunnen verbeteren. Ze kunnen meer energie vrijgeven, of minder consumeren, om te reageren op het veranderende vraag of aanbod, en helpen het rooster in evenwicht te brengen, zodat de frequentie in de buurt van 60 Hertz blijft.
Sommige mensen zijn bang dat dit invasief kan zijn, waardoor iemand buiten uw huis de mogelijkheid heeft om uw batterij of airconditioner te besturen. Daarom wilden we zien of we konden helpen het raster in evenwicht te brengen met frequentieregulering met behulp van airconditioning-eenheden in plaats van energiecentrales in plaats van energiecentrales-zonder te beïnvloeden hoe bewoners hun apparaten gebruiken of hoe comfortabel ze thuis zijn.
Van 2019 tot 2023 probeerde mijn groep aan de Universiteit van Michigan deze aanpak, in samenwerking met onderzoekers van Pecan Street Inc., Los Alamos National Laboratory en de University of California, Berkeley, met financiering van het US Department of Energy Advanced Research Projects Agency-Energy.
We hebben 100 huiseigenaren in Austin, Texas geworven om een real-world test van ons systeem uit te voeren. Alle huizen hadden een hele koelsystemen met gedwongen lucht, die we verbonden waren met aangepaste besturingsborden en sensoren die de eigenaren in hun huizen konden installeren. Met deze apparatuur kunnen we instructies naar de airconditioning-eenheden sturen op basis van de frequentie van het rooster.
Voordat ik uitleg hoe het systeem werkte, moet ik eerst uitleggen hoe thermostaten werken. Wanneer mensen thermostaten instellen, kiezen ze een temperatuur en schakelt de thermostaat de airconditioningcompressor aan en uit om de luchttemperatuur binnen een klein bereik rond dat setpunt te houden. Als de temperatuur op 68 graden wordt ingesteld, schakelt de thermostaat de AC in wanneer de temperatuur bijvoorbeeld 70 is en wordt het uitgeschakeld wanneer deze wordt afgekoeld tot bijvoorbeeld 66.
Om de paar seconden veranderde ons systeem enigszins de timing van het schakelen van de airconditioningcompressor voor enkele van de 100 airconditioners, waardoor het geaggregeerde stroomverbruik van de eenheden veranderde. Op deze manier reageerde onze kleine groep thuis airconditioners op raster verandert zoals een energiecentrale zou doen – meer of minder energie gebruiken om het rooster in evenwicht te brengen en de frequentie in de buurt van 60 Hertz te houden.
Bovendien is ons systeem ontworpen om thuistemperaturen binnen hetzelfde kleine temperatuurbereik rond het instelpunt te houden.
De aanpak testen
We hebben ons systeem uitgevoerd in vier tests, elk een uur duren. We hebben twee bemoedigende resultaten gevonden.
Ten eerste waren de airconditioners in staat om frequentieregulering te bieden, minstens net zo nauwkeurig als een traditionele energiecentrale. Daarom hebben we aangetoond dat airconditioners een belangrijke rol konden spelen bij het vergroten van de roosterflexibiliteit. Maar misschien nog belangrijker – althans in termen van het aanmoedigen van mensen om deel te nemen aan dit soort systemen – ontdekten we dat we dit konden doen zonder het comfort van mensen in hun huizen te beïnvloeden.
We ontdekten dat thuistemperatuur niet meer dan 1.6 Fahrenheit van hun setpunt afwijkde. Huiseigenaren mochten de controles negeren als ze zich ongemakkelijk voelden, maar de meeste niet. Voor de meeste tests hebben we nul -overschrijvingen ontvangen. In het ergste geval ontvingen we override -aanvragen van twee van de 100 huizen in onze test.
In de praktijk kan dit soort technologie worden toegevoegd aan commercieel beschikbare thermostaten op internetverbinding. In ruil voor credits op hun energierekeningen konden gebruikers ervoor kiezen om deel te nemen aan een service die wordt uitgevoerd door het thermostatbedrijf, hun nutsprovider of een andere derde partij.
Dan konden mensen de airconditioning in de zomerhitte inschakelen zonder die schuldig te maken, wetende dat ze hielpen om het raster betrouwbaarder te maken en beter in staat te zijn om hernieuwbare energiebronnen te herbergen – zonder hun eigen comfort op te offeren.
Johanna Mathieu, universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica, Universiteit van Michigan. Dit artikel wordt opnieuw gepubliceerd van het gesprek onder een licentie voor Creative Commons. Lees het oorspronkelijke artikel.
