En un sistema de energía transactiva, la red eléctrica, los hogares, los edificios comerciales, los electrodomésticos y las estaciones de carga están en contacto constante, lo que ahorra a los consumidores y las empresas de servicios públicos hasta $50 mil millones al año. Crédito:Cortland Johnson, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Un plan novedoso que ofrezca una asociación para mantener estable y confiable la red eléctrica de los Estados Unidos podría ser beneficioso para los consumidores y los operadores de servicios públicos.
La simulación más grande de su tipo, modelada en la red eléctrica de Texas, concluyó que los consumidores pueden ahorrar alrededor del 15 por ciento en su factura eléctrica anual al asociarse con las empresas de servicios públicos. En este sistema, los consumidores se coordinarían con su operador de servicios eléctricos para controlar dinámicamente a los grandes usuarios de energía, como bombas de calor, calentadores de agua y estaciones de carga de vehículos eléctricos.
Este tipo de control flexible sobre el suministro de energía y los patrones de uso se denomina "transactivo" porque se basa en un acuerdo entre los consumidores y las empresas de servicios públicos. Pero nunca se ha implementado un sistema de energía transactiva a gran escala, y hay muchas incógnitas. Es por eso que la Oficina de Electricidad del Departamento de Energía llamó a los expertos en energía transactiva del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico para estudiar cómo podría funcionar un sistema de este tipo en la práctica. El informe final de varios volúmenes se publicó hoy.
Hayden Reeve, experto en energía transactiva y asesor técnico del PNNL, dirigió un equipo de ingenieros, economistas y programadores que diseñaron y ejecutaron el estudio.
"Debido a que la red de Texas es bastante representativa del sistema energético de la nación, no solo permitió el modelado y la simulación de conceptos transactivos, sino que proporcionó una extrapolación confiable de los resultados y los impactos económicos potenciales para la red y los clientes más amplios de los Estados Unidos", dijo.
La simulación mostró que si se implementara un sistema de energía transactiva en la red del Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas (ERCOT), las cargas máximas se reducirían entre un 9 y un 15 por ciento. Ese ahorro podría traducirse en beneficios económicos de hasta $ 5 mil millones anuales solo en Texas, o hasta $ 50 mil millones anuales si se implementa en todo el territorio continental de los Estados Unidos. Los ahorros equivaldrían a la producción anual de 180 centrales eléctricas de carbón a nivel nacional.
Hayden Reeve, experto en energía transactiva y asesor técnico del PNNL, dirigió el equipo de ingenieros, economistas y programadores para evaluar el potencial de la energía transactiva en la infraestructura energética del país. Crédito:Andrea Starr, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Cortar el marrón hacia fuera
A estas alturas, la mayoría de las personas han experimentado o presenciado cómo los fenómenos meteorológicos extremos o los desastres naturales pueden causar estragos en nuestros sistemas de distribución de energía actuales. Esa vulnerabilidad se ve magnificada por nuestra dependencia de unas pocas fuentes de energía centralizadas y un sistema de red que a veces tiene dificultades para hacer coincidir la oferta con la demanda. Además, la descarbonización de la red eléctrica significará que cada vez más energía provendrá de diferentes tipos de fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar. Por lo tanto, evitar picos o caídas repentinos (caídas de energía o apagones) se vuelve primordial.
Los hallazgos del estudio indican que un sistema de energía transactiva reduciría los cambios de carga diarios entre un 20 y un 44 por ciento. Y a medida que se utilizan más vehículos eléctricos, el estudio, quizás de manera contradictoria, mostró que las estaciones de carga de vehículos inteligentes brindan reducciones de carga máxima eléctrica aún mayores porque ofrecen flexibilidad adicional en los tiempos de carga programados y el consumo de energía.
"Una red inteligente puede actuar como un amortiguador, equilibrando los desajustes entre la oferta y la demanda", dijo Reeve. "A través de nuestro estudio, buscamos comprender cuán valiosa podría ser la coordinación efectiva de la red eléctrica para la nación, las empresas de servicios públicos y los clientes. Trabajar con los propietarios de edificios comerciales y los consumidores para ajustar automáticamente el uso de energía representa un paso práctico en el que todos ganan hacia la descarbonización de los sectores de la electricidad, la construcción y el transporte sin comprometer la comodidad y la seguridad de los hogares y negocios participantes".
Un componente clave de esta estrategia es la adopción de dispositivos inteligentes y controles de carga. Estos recursos dinámicos pueden aprender a consumir energía de manera más eficiente, ajustando su uso por períodos breves para liberar electricidad para otras necesidades. Por ejemplo, en lugar de cargar un vehículo eléctrico a primera hora de la tarde cuando la demanda de energía y el precio son altos, los participantes de energía transactiva confiarían en un control de carga inteligente para retrasar la carga de su vehículo hasta que la demanda sea baja y la electricidad sea más barata. Este enfoque no solo reduce el estrés en la infraestructura de la red existente, sino que permite que las empresas de servicios públicos tengan más tiempo para planificar la infraestructura de distribución y almacenamiento de energía de próxima generación que se encuentra actualmente en desarrollo.
El Centro de Operaciones de Infraestructura Eléctrica, ubicado en el PNNL, permite a los investigadores evaluar los escenarios de la red eléctrica en el contexto de las condiciones actuales de la industria. Crédito:Andrea Starr, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Energía transactiva:un componente central
En un sistema de energía transactiva, la red eléctrica, los hogares, los edificios comerciales, los electrodomésticos y las estaciones de carga están en contacto constante. Los dispositivos inteligentes reciben un pronóstico de los precios de la energía en varios momentos del día y desarrollan una estrategia para satisfacer las preferencias de los consumidores mientras reducen el costo y la demanda general de electricidad. Un mercado minorista local a su vez coordina la demanda general con el mercado mayorista más grande. Todas las partes negocian los niveles de adquisición y consumo de energía, el costo, el tiempo y la entrega en un esquema de precios dinámico.
Si bien este concepto puede parecer futurista, es muy posible lograrlo y ya se está implementando en un proyecto de demostración en el distrito ecológico de la ciudad de Spokane. Aquí, el equipo de investigación está desarrollando y probando un esquema de coordinación de energía transactiva y un mercado minorista. El enfoque también incluye el uso de agentes de software transactivos ideados por PNNL.
Una empresa del tamaño de Texas
La red eléctrica primaria de Texas (ERCOT) proporcionó la base para el análisis de PNNL. Los investigadores crearon modelos muy detallados que representaban la red eléctrica de ERCOT, incluidas más de 100 fuentes de generación de energía y 40 servicios diferentes que operan en el sistema de transmisión. El análisis también incluyó representaciones detalladas de 60.000 hogares y empresas, así como sus electrodomésticos que consumen energía. Los investigadores utilizaron los modelos para realizar múltiples simulaciones en varios escenarios de generación de energía renovable. Each simulation demonstrated how the energy system would react to the addition of differing amounts of intermittent power sources, such as wind and solar. The research team also developed a detailed economic model to understand the yearly cost impacts for operators and customers. Finally, they looked at upfront costs associated with labor and software expenses, as well as the costs for buying and installing smart devices in homes and businesses.
Credit:Cortland Johnson / Pacific Northwest National Laboratory
Another important goal of the study included evaluating the impact of a new kind of mediator in the grid economy. This entity, called a distribution system operator, would be required to manage a grid that has multiple energy sources owned and operated by distinct entities, all contributing energy to the grid at different times and amounts. In addition, this distribution system operator would negotiate the transactions with customers that allow flexible load control. The goal would be to support efficient and reliable grid operation. The study confirmed the value of establishing entities, such as a distribution system operator, to manage transactive energy.
Overall, the PNNL research showed clear benefits of reimagining how the electric grid could accommodate a future where clean renewable energy is a much bigger contributor and more of our transportation needs depend on ready access to electricity.
"These findings make a strong case for investment in scaled deployments of transactive energy systems," said Christopher Irwin, a program manager for the Office of Electricity, Department of Energy, in its Smart Grid standards and interoperability efforts. "As the nation moves towards a zero-carbon future, a more adaptable energy system could help accelerate the broader deployment of electric vehicles, solar energy and the conversion of homes and buildings to clean electricity sources."
In addition to Reeve, PNNL researchers 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 and Sarah Barrows all contributed to the research and writing the final reports. The study was supported by the Department of Energy's Office of Electricity.
