Введение
Изменение потребительского энергопотребления в часы пик
Управление спросом на энергию, также известное как управление спросом (DSM) или реагирование спроса (DSR), представляет собой изменение потребительского спроса на энергию посредством различных методов, таких как финансовые стимулы и изменение поведения посредством обучения. Как правило, цель управления спросом – побудить потребителей снижать потребление энергии в часы пик или переносить время потребления на внепиковые часы, такие как ночное время и выходные дни. Управление пиковым спросом не обязательно приводит к снижению общего объема потребления энергии, но может снизить необходимость инвестиций в сети и/или электростанции для удовлетворения пиковых нагрузок. Примером является использование накопителей энергии для хранения энергии во внепиковые часы и ее отдачи в часы пик. Новое применение DSM заключается в помощи операторам сетей в балансировке переменной генерации от ветровых и солнечных установок, особенно когда сроки и величина спроса на энергию не совпадают с выработкой возобновляемых источников. Генераторы, запускаемые в периоды пикового спроса, часто работают на ископаемом топливе. Минимизация их использования снижает выбросы углекислого газа и других загрязняющих веществ. Термин DSM был введен после энергетического кризиса 1973 года и энергетического кризиса 1979 года. Правительства многих стран обязали реализовывать различные программы по управлению спросом. Ранним примером является Закон о национальной политике энергосбережения 1978 года в США, которому предшествовали аналогичные меры в Калифорнии и Висконсине. Управление спросом было впервые публично представлено Институтом исследования электроэнергии (EPRI) в 1980-х годах. В настоящее время технологии DSM становятся все более реализуемыми благодаря интеграции информационно-коммуникационных технологий и энергосистемы, а также появлению новых терминов, таких как интегрированное управление спросом (IDSM) или интеллектуальная сеть.
Energy demand management, also known as demand side management (DSM) or demand side response (DSR), is the modification of consumer demand for energy through various methods such as financial incentives and behavioral change through education. Usually, the goal of demand side management is to encourage the consumer to use less energy during peak hours, or to move the time of energy use to off peak times such as nighttime and weekends. Peak demand management does not necessarily decrease total energy consumption, but could be expected to reduce the need for investments in networks and/or power plants for meeting peak demands. An example is the use of energy storage units to store energy during off peak hours and discharge them during peak hours. A newer application for DSM is to aid grid operators in balancing variable generation from wind and solar units, particularly when the timing and magnitude of energy demand does not coincide with the renewable generation. Generators brought on line during peak demand periods are often fossil fuel units. Minimizing their use reduces emissions of carbon dioxide and other pollutants. The term DSM was coined following the time of the 1973 energy crisis and 1979 energy crisis. Governments of many countries mandated performance of various programs for demand management. An early example is the National Energy Conservation Policy Act of 1978 in the U. S., preceded by similar actions in California and Wisconsin. Demand side management was introduced publicly by Electric Power Research Institute (EPRI) in the 1980s. Nowadays, DSM technologies become increasingly feasible due to the integration of information and communications technology and the power system, new terms such as integrated demand side management (IDSM), or smart grid.
Операция
Американская электроэнергетическая промышленность изначально в значительной степени зависела от импорта энергии, будь то готовая электроэнергия или ископаемое топливо для её производства. В период энергетических кризисов 1970-х годов федеральное правительство приняло Закон о регулировании политики коммунальных предприятий (PURPA), стремясь снизить зависимость от иностранной нефти и стимулировать энергоэффективность и развитие альтернативных источников энергии. Этот закон обязывал энергоснабжающие компании закупать электроэнергию по самой низкой цене у независимых производителей, что, в свою очередь, способствовало развитию возобновляемых источников энергии и стимулировало энергоснабжающие компании к сокращению объемов необходимой им мощности, тем самым продвигая программы энергоэффективности и управления спросом. Потребление электроэнергии может значительно меняться в кратко- и среднесрочной перспективе в зависимости от текущих погодных условий. Обычно оптовая система электроэнергии адаптируется к изменяющемуся спросу путем увеличения или уменьшения генерации. Однако в пиковые периоды дополнительная генерация, как правило, обеспечивается менее эффективными ("пиковыми") источниками. К сожалению, немедленные финансовые и экологические издержки использования этих "пиковых" источников не всегда учитываются в розничных ценах. Кроме того, способность или готовность потребителей электроэнергии реагировать на изменение цен путем корректировки спроса (эластичность спроса) может быть низкой, особенно в краткосрочной перспективе. На многих рынках потребители (особенно розничные) вообще не сталкиваются с ценами в реальном времени, а платят по тарифам, основанным на среднегодовых затратах или других расчетных ценах. Мероприятия по управлению спросом на энергию направлены на сближение спроса и предложения электроэнергии с оптимальным уровнем и предоставление конечным потребителям преимуществ от снижения потребления. В современных системах все более распространен интегрированный подход к управлению спросом. IDSM автоматически отправляет сигналы конечному оборудованию для снижения нагрузки в зависимости от состояния системы. Это позволяет очень точно регулировать спрос, обеспечивая его соответствие предложению в любой момент времени, и сокращает капитальные затраты энергоснабжающих компаний. Критическими условиями системы могут быть пиковые нагрузки или, в районах с переменной выработкой возобновляемой энергии, ситуации, когда необходимо увеличивать спрос для предотвращения избыточной генерации или уменьшать его для обеспечения необходимой скорости набора мощности. В целом, корректировка спроса может осуществляться различными способами: посредством реакции на ценовые сигналы, такие как постоянные дифференцированные тарифы для дневного и вечернего времени или эпизодические дни с высокими ценами, изменения в поведении потребителей, достигаемые с помощью домашних сетей, автоматизированные системы управления, например, дистанционно управляемые кондиционеры, или постоянное снижение нагрузки за счет использования энергоэффективной бытовой техники.
Логические основы
Спрос на любой товар может быть изменен действиями участников рынка и правительства (регулированием и налогообложением). Управление спросом на энергию подразумевает действия, влияющие на спрос на энергию. DSM изначально применялось в электроэнергетике, но сегодня широко используется в сфере коммунальных услуг, включая водоснабжение и газоснабжение. Потребность в энергии значительно различается в зависимости от местоположения, численности населения, видов транспорта, размеров семей, конструктивных особенностей зданий, возможностей и социальных систем. Приведение уровня предложения энергии в соответствие с региональным спросом широко распространено. Сокращение спроса на энергию противоречит практике, которой следовали поставщики энергии и правительства на протяжении большей части современной промышленной истории. В то время как реальные цены на различные виды энергии в течение большей части индустриальной эпохи снижались благодаря экономии масштаба и технологическому прогрессу, прогнозы на будущее противоположны. Ранее стимулирование использования энергии было оправдано, поскольку ожидалось появление более обильных и дешевых источников энергии, либо поставщик располагал избыточными мощностями, которые могли бы стать более прибыльными при увеличении потребления. В централизованно планируемых экономиках субсидирование энергетики являлось одним из основных инструментов экономического развития. Субсидии в сфере энергоснабжения до сих пор распространены в некоторых странах. В отличие от сложившейся исторически ситуации, ожидается ухудшение ситуации с ценами на энергию и ее доступностью. Правительства и другие государственные структуры, если не сами поставщики энергии, все чаще применяют меры по управлению спросом на энергию, направленные на повышение эффективности ее потребления.
Типы
Энергоэффективность: Использование меньшего количества энергии для выполнения тех же задач. Это предполагает постоянное снижение спроса за счет использования более эффективных приборов, потребляющих значительную мощность, таких как водонагреватели, холодильники или стиральные машины. Управление спросом: любой метод реагирования или предотвращения для снижения, выравнивания или переключения спроса. Исторически программы управления спросом были сосредоточены на снижении пиковых нагрузок для отсрочки высоких затрат на строительство генерирующих мощностей. Однако сейчас программы управления спросом рассматриваются и как способ изменения формы чистой нагрузки – нагрузки за вычетом генерации от солнечной и ветровой энергии – для облегчения интеграции переменной возобновляемой энергии. Управление спросом включает в себя все преднамеренные изменения в моделях потребления электроэнергии конечными потребителями, направленные на изменение времени, уровня мгновенного спроса или общего объема потребления электроэнергии. Управление спросом охватывает широкий спектр действий, которые могут быть предприняты на стороне потребителя электросчетчика в ответ на конкретные условия в энергосистеме (например, перегрузка сети в пиковые периоды или высокие цены), включая вышеупомянутый IDSM. Динамический спрос: Сдвиг или задержка циклов работы приборов на несколько секунд для увеличения коэффициента разнообразия нагрузки. Идея заключается в том, что, отслеживая коэффициент мощности энергосети, а также собственные параметры управления, отдельные, прерывистые нагрузки будут включаться или выключаться в оптимальные моменты для балансировки общей нагрузки системы с генерацией, снижая критические расхождения в мощности. Поскольку такое переключение лишь сдвигает цикл работы прибора на несколько секунд, это будет незаметно для конечного пользователя. В 1982 году в США был выдан (впоследствии истекший) патент на эту идею инженеру-энергетику Фреду Швейппе. Этот тип динамического управления спросом часто используется для кондиционеров. Примером является программа SmartAC в Калифорнии. Распределенные энергетические ресурсы: Распределенная генерация, также известная как распределенная энергия, генерация на месте (OSG) или районная/децентрализованная энергия, представляет собой производство и хранение электроэнергии с помощью различных небольших устройств, подключенных к сети, которые называются распределенными энергетическими ресурсами (DER). Традиционные электростанции, такие как угольные, газовые и атомные электростанции, а также гидроэлектростанции и крупномасштабные солнечные электростанции, являются централизованными и часто требуют передачи электроэнергии на большие расстояния. В отличие от них, системы DER являются децентрализованными, модульными и более гибкими технологиями, расположенными вблизи обслуживаемой нагрузки, хотя их мощность обычно не превышает 10 мегаватт (МВт). Эти системы могут включать в себя несколько компонентов генерации и хранения; в этом случае они называются гибридными энергосистемами. Системы DER обычно используют возобновляемые источники энергии, включая малую гидроэнергию, биомассу, биогаз, солнечную энергию, энергию ветра и геотермальную энергию, и играют все более важную роль в системе распределения электроэнергии. Устройство для хранения электроэнергии, подключенное к сети, также может быть классифицировано как система DER и часто называется распределенной системой хранения энергии (DESS). С помощью интерфейса системами DER можно управлять и координировать в рамках интеллектуальной сети. Распределенная генерация и хранение позволяют собирать энергию из множества источников и могут снизить воздействие на окружающую среду и повысить надежность энергоснабжения.
Масштаб
В целом, управление спросом можно классифицировать на четыре категории: национальный, уровень энергоснабжающей компании, уровень сообщества и уровень отдельного домохозяйства.
Национальный масштаб
Улучшение энергоэффективности — одна из важнейших стратегий управления спросом. Повышение эффективности может быть реализовано на национальном уровне посредством законодательства и стандартов в жилищном секторе, строительстве, бытовой технике, транспорте, машиностроении и т.д.
Утилитарная шкала
В пиковые часы потребления коммунальные службы могут управлять накопительными водонагревателями, насосами для бассейнов и кондиционерами на больших территориях для снижения пиковой нагрузки, например, в Австралии и Швейцарии. Одной из распространенных технологий является управление по несущей частоте: высокочастотный сигнал (например, 1000 Гц) накладывается на стандартное электропитание (50 или 60 Гц) для включения или выключения устройств. В странах с развитым сектором услуг, таких как Австралия, пик спроса на электроэнергию часто приходится на поздний день и ранний вечер (с 16:00 до 20:00). Наибольшую долю в этом пиковом спросе составляют бытовой и коммерческий потребители. Поэтому коммунальным предприятиям (операторам электросетей) целесообразно управлять накопительными водонагревателями, насосами для бассейнов и кондиционерами в жилых домах.
Общественный масштаб
Другие названия могут быть район, округ или часть города. Системы централизованного теплоснабжения существуют уже много десятилетий в регионах с суровыми зимами. Аналогично, пиковый спрос в регионах с летним пиком потребления должен управляться, например, в Техасе и Флориде (США), Квинсленде и Новом Южном Уэльсе (Австралия). Управление спросом может быть реализовано в масштабах населенного пункта для снижения пикового спроса на отопление или охлаждение. Другой аспект – достижение нулевого энергопотребления для здания или населенного пункта. Управление энергопотреблением, пиковым спросом и счетами на уровне населенного пункта может быть более целесообразным и экономически выгодным благодаря коллективной покупательной способности, возможности проведения переговоров, большему выбору решений в области энергоэффективности и хранения энергии, большей гибкости и разнообразию в производстве и потреблении энергии в разное время, например, использование фотоэлектрических панелей для компенсации дневного потребления или для накопления энергии.
Домашний уровень
В некоторых районах Австралии более 30% (2016) домохозяйств оснащены фотоэлектрическими системами на крышах. Им выгодно использовать бесплатную солнечную энергию для снижения потребления электроэнергии из сети. Более того, управление спросом может оказаться эффективным при комплексном подходе, учитывающем работу фотоэлектрических установок, кондиционеров, систем накопления энергии в аккумуляторах, накопительных водонагревателей, характеристики здания и меры по повышению энергоэффективности.
Квинсленд, Австралия
У коммунальных предприятий в штате Квинсленд, Австралия, установлены устройства на определенных бытовых приборах, таких как кондиционеры, или в домашние электросчетчики для управления водонагревателями, насосами для бассейнов и т.п. Эти устройства позволяют энергокомпаниям дистанционно регулировать работу этих приборов в периоды пиковой нагрузки. Их план также предусматривает повышение энергоэффективности приборов и предоставление финансовых стимулов потребителям, использующим электроэнергию в периоды низкой нагрузки, когда ее производство обходится энергокомпаниям дешевле. Кроме того, благодаря управлению спросом, домохозяйства в Юго-Восточном Квинсленде могут использовать электроэнергию, вырабатываемую крышными фотоэлектрическими системами, для нагрева воды.
Торонто, Канада
В 2008 году компания Toronto Hydro, монопольный поставщик электроэнергии в Онтарио, привлекла более 40 000 участников к программе установки удаленных устройств на кондиционеры, которые энергетические компании используют для сглаживания пиковых нагрузок. Представительница Таня Брукмуллер сообщила, что эта программа позволяет снизить потребление электроэнергии на 40 мегаватт в аварийных ситуациях.
Индиана, США
Операция Alcoa Warrick участвует в MISO как квалифицированный ресурс управления спросом, предоставляя возможности управления спросом в виде энергии, резерва мощности и услуг по регулированию частоты.
Бразилия
Управление спросом может применяться к электроэнергетической системе, основанной на тепловых электростанциях, или к системам, в которых возобновляемая энергия, такая как гидроэнергия, преобладает, но с дополнительной тепловой генерацией, например, в Бразилии. В случае Бразилии, несмотря на то, что выработка гидроэлектроэнергии составляет более 80% от общего объема, для достижения практического баланса в системе генерации энергия, вырабатываемая гидроэлектростанциями, покрывает потребление ниже пикового спроса. Пиковая генерация обеспечивается за счет использования электростанций, работающих на ископаемом топливе. В 2008 году бразильские потребители заплатили более 1 миллиарда долларов США за дополнительную теплоэлектрическую генерацию, не запланированную изначально. В Бразилии потребитель оплачивает все инвестиции, необходимые для обеспечения энергоснабжения, даже если электростанция простаивает. Для большинства тепловых электростанций на ископаемом топливе потребители оплачивают "топливо" и другие эксплуатационные расходы только при выработке энергии. Энергия, произведенная на единицу мощности, обходится дороже на тепловых электростанциях, чем на гидроэлектростанциях. Лишь немногие бразильские теплоэлектростанции используют природный газ, поэтому они загрязняют окружающую среду значительно сильнее, чем гидроэлектростанции. Энергия, вырабатываемая для удовлетворения пикового спроса, имеет более высокие затраты – как инвестиционные, так и эксплуатационные, – а загрязнение несет значительные экологические издержки и потенциальную финансовую и социальную ответственность за ее использование. Таким образом, расширение и эксплуатация существующей системы не так эффективны, как это могло бы быть при использовании управления спросом. Следствием этой неэффективности является увеличение тарифов на электроэнергию, которое перекладывается на потребителей. Более того, поскольку электрическая энергия генерируется и потребляется практически мгновенно, все объекты, такие как линии передачи и распределительные сети, строятся с расчетом на пиковое потребление. В периоды вне пиковой нагрузки их полная мощность не используется. Снижение пикового потребления может повысить эффективность электроэнергетических систем, таких как бразильская, различными способами: отсрочкой новых инвестиций в распределительные и передающие сети и уменьшением необходимости в дополнительной тепловой генерации в пиковые периоды, что может снизить как оплату инвестиций в новые электростанции, предназначенные для работы только в пиковые периоды, так и воздействие на окружающую среду, связанное с выбросами парниковых газов.
Проблемы
Некоторые утверждают, что управление спросом оказалось неэффективным, поскольку зачастую приводило к увеличению стоимости коммунальных услуг для потребителей и снижению прибыли энергоснабжающих компаний. Одной из главных целей управления спросом является возможность тарификации потребителей, основанной на реальной цене энергоресурсов в конкретный момент времени. Если бы потребителям предлагалась более низкая цена за использование электроэнергии в периоды низкой нагрузки и более высокая – в периоды пиковой нагрузки, то, теоретически, механизм спроса и предложения стимулировал бы снижение потребления электроэнергии в часы пик, тем самым достигая основной цели управления спросом.