Klimatyzator może pomóc w stabilizacji sieci, a nie ją przeciążać

O tym, iż klimatyzatory, coraz chętniej instalowane także w Polsce, wcale nie muszą prowadzić do przeciążenia, ale stabilizacji sieci na łamach The Conversation przekonuje prof. Johanna Mathieu z University of Michigan. Zapewnia przy tym, iż ni należy mieć poczucia winy włączając klimatyzację w upalny dzień. I nie jest dobrym argumentem, iż poprzednie pokolenia radziły sobie bez takich udogodnień:

Jeśli zostawię klimatyzator wyłączony, będzie mi za gorąco. Ale jeżeli wszyscy włączą klimatyzator w tym samym czasie, wzrośnie zapotrzebowanie na energię elektryczną, co może zmusić operatorów sieci energetycznych do aktywacji niektórych z najdroższych i najbrudniejszych elektrowni. Czasami te piki poboru mocy mogą wymagać zbyt wiele od sieci i prowadzić do black-outów lub brwon-outów. Badania, które niedawno opublikowałam z zespołem uczonych, sprawiają, iż czuję się trochę lepiej. Odkryliśmy, iż możliwe jest skoordynowanie działania dużej liczby domowych klimatyzatorów, równoważąc podaż i popyt w sieci energetycznej – i nie zmuszając ludzi do znoszenia wysokich temperatur w swoich domach.

Badania analizujące wykorzystanie zdalnego sterowania klimatyzatorami do zarządzania sieci, są prowadzone od wielu lat, ale skupiają się na możliwościach teoretycznych. kilka wyników zostało zademonstrowanych w praktyce, a już napewno nigdy dla wdrożenia na dużą skalę. Opracowany przez nas system nie tylko wykazał zdolność do równoważenia sieci w sekundowych interwałach czasowych, ale także udowodnił, iż można to zrobić bez wpływu na komfort mieszkańców. Wpływa to przy tym na zwiększenie niezawodności sieci energetycznej, co ułatwia przyjmowanie większej ilości energii odnawialnej. Naszym celem jest przekształcenie klimatyzatorów z wyzwania w atut, wspierający przejście od paliw kopalnych w kierunku czystszej energii.

Energia na różnej częstotliwości

Moje badania koncentrują się na bateriach, panelach słonecznych i sprzęcie elektrycznym – takim jak pojazdy elektryczne, podgrzewacze wody, klimatyzatory i pompy ciepła – które mogą dostosować się do zużywania różnych ilości energii w różnym czasie. Pierwotnie amerykańska sieć elektryczna została zbudowana w celu transportu energii elektrycznej z dużych elektrowni do domów i firm klientów. A klasyczne elektrownie były dużymi, scentralizowanymi operatorami. Zakłady te były zwykle zawsze dostępne i mogły dostosować ilość energii, którą wytworzyły w odpowiedzi na zapotrzebowanie klientów. Dzięki temu popyt na energię łatwo było równoważyć jej podażą.

Sieć się jednak zmieniła. Istnieje więcej odnawialnych źródeł energii, z których energia nie zawsze jest dostępna. Jak panele słoneczne w nocy lub turbiny wiatrowe w bezwietrzne dni. Są jednak też urządzenia oraz sprzęt zwane „rozproszonymi zasobami energetycznymi”, które generują lub przechowują energię w pobliżu miejsca, w którym konsumenci jej potrzebują, ew. dostosowują ilość energii, którą zużywają w czasie rzeczywistym.

Jeden aspekt sieci się jednak nie zmienił: w systemie nie ma zbyt wielu magazynów energii. Stąd za każdym razem, gdy włączasz światło, przez chwilę nie ma wystarczającej ilości energii elektrycznej, aby dostarczyć wszystkim potrzebującym w danej chwili. Sieć potrzebuje producenta, aby wygenerować trochę więcej energii. A kiedy wyłączasz światło, jest jej trochę za dużo: producent energii musi nieco przystopować.

Sposób, w jaki elektrownie śledzą zapotrzebowanie na moc w czasie rzeczywistym, polega na ścisłym monitorowaniu częstotliwości sieci. Celem jest dostarczanie energii elektrycznej o stałej częstotliwości – 60 herców – przez cały czas. jeżeli potrzebna jest większa moc niż aktualnie wytwarzana, częstotliwość spada, a elektrownia zwiększa wydajność. jeżeli wytwarza się zbyt dużo energii, częstotliwość wzrasta, a elektrownia nieco spowalnia produkcję. Te działania, proces zwany „regulacją częstotliwości”, realizowane są w ciągu kilku sekund, aby utrzymać równowagę sieci. Ta elastyczność elektrowni jest kluczem do utrzymania światła włączonego u wszystkich.

Zdalne włączania klimatyzacji

Interesuje mnie, w jaki sposób rozproszone zasoby energii mogą poprawić elastyczność sieci. Uwalniać więcej energii lub zużywać mniej, aby odpowiedzieć na zmieniającą się podaż lub popyt. Pomóc zrównoważyć sieć, zapewniając, iż częstotliwość pozostaje blisko 60 herców. Niektórzy ludzie obawiają się, iż może to być zbyt duża ingerencja: dać komuś spoza domu możliwość kontrolowania naszej baterii lub klimatyzatora. Dlatego chcieliśmy sprawdzić, czy moglibyśmy pomóc zrównoważyć sieć z regulacją częstotliwości dzięki domowych klimatyzatorów zamiast elektrowni – bez wpływu na to, jak mieszkańcy korzystają ze swoich urządzeń lub jak komfortowo czują się w swoich domach.

Od 2019 do 2023 roku moja grupa na Uniwersytecie Michigan próbowała tego podejścia, we współpracy z badaczami z Pecan Street Inc., Los Alamos National Laboratory i University of California, Berkeley, przy wsparciu finansowym z Advanced Research Projects Agency-Energy, którą prowadzi Departamentu Energetyki USA. Zrekrutowaliśmy 100 właścicieli domów w Austin w Teksasie, aby przeprowadzić prawdziwy test naszego systemu. Wszystkie domy miały systemy chłodzenia wymuszonym powietrzem w całym domu. Podłączyliśmy je do niestandardowych tablic sterujących i czujników, które właściciele pozwolili nam zainstalować w ich domach. Ten sprzęt pozwala nam wysyłać instrukcje do jednostek klimatyzacyjnych w oparciu o częstotliwość sieci.

Zanim wyjaśnię, jak działa system, najpierw muszę wyjaśnić, jak działają termostaty w klimatyzatorach. Kiedy ludzie wybierają temperaturę, a termostat włącza i wyłącza sprężarkę klimatyzacji, kierując się wskazaniem temperatury powietrza w niewielkim zakresie wokół jednego określonego punktu. jeżeli temperatura jest ustawiona na 68 stopni, termostat włącza klimatyzację, gdy temperatura wynosi, powiedzmy, 70, i wyłącza ją, gdy jest schłodzona do, powiedzmy, 66.

Zainstalowany przez nas system co kilka sekund nieznacznie zmieniał czas przełączania sprężarek klimatyzacji dla części ze 100 klimatyzatorów, powodując zmianę łącznego zużycia energii przez urządzenia (przyp. red. – przyspieszał lub opóźniał włączenie i wyłączenie poszczególnych klimatyzatorów, aby wiele urządzenie nie robiło tego jednocześnie i nie powodując pików poboru mocy lub gwałtownych jego spadków). W ten sposób nasza mała grupa domowych klimatyzatorów zareagowała na zmiany w sieci w taki sposób, jak elektrownia – wykorzystując więcej lub mniej energii do zrównoważenia sieci i utrzymania częstotliwości w pobliżu 60 herców. Co więcej, nasz system został zaprojektowany tak, aby utrzymać temperatury w domu w tym samym wąskim zakresie temperatur wokół wartości zadanej.

Testowanie podejścia

Nasz system uruchomiliśmy w czterech testach, każdy trwał godzinę. I otrzymaliśmy dwa zachęcające efekty:

• Po pierwsze, klimatyzatory były w stanie zapewnić regulację częstotliwości co najmniej tak dokładnie, jak w tradycyjnej elektrowni. Dlatego pokazaliśmy, iż klimatyzatory mogą odegrać znaczącą rolę w zwiększaniu elastyczności sieci.
• Co może choćby ważniejsze – przynajmniej jeżeli chodzi o zachęcanie ludzi do uczestnictwa w tego typu systemach – stwierdziliśmy, iż byliśmy w stanie operować bez wpływu na komfort ludzi w ich domach.

Odkryliśmy, iż temperatury w domu nie odbiegają więcej niż 1,6 Fahrenheita od ich punktu zadanego. Właściciele domów mogli unieważnić kontrolę, jeżeli poczuli się niekomfortowo, ale większość tego nie zrobiła. W przypadku większości testów nikt nie domagał się odłączenia się od naszego sysytemu, a w najtrudniejszym teść zrobiły to 2 ze 100 uczestniczących gospodarstw domowych. W praktyce tego rodzaju technologia może być dodana do komercyjnie dostępnych termostatów podłączonych do Internetu. W zamian za bonusy w rachunkach za prąd, użytkownicy mogliby zdecydować się na dołączenie do takiej zdalnej usługi. Wtedy ludzie mogli włączyć klimatyzację w letnie upały bez poczucia winy, wiedząc, iż pomagają uczynić sieć bardziej niezawodną i bardziej zdolną do pomieszczenia odnawialnych źródeł energii – bez poświęcania własnego komfortu w tym procesie.

Autorka: prof. Johanna Mathieu, Electrical Engineering & Computer Science, University of Michigan

Artykuł pochodzi z serwisu The Conversation i został opublikowany w oparciu o licencję Creative Commons. Przejdź do oryginalnego artykułu

/Fot: Unsplash, Peter Morgan, jwvein//