Fleksibelt elforbrug kræver fuldautomatiske apparater

Energi vippe

Professor Henrik Madsen fra DTU Compute mener, at forskere og praktikere i regi af CITIES-projektet har knækket koden for, hvordan elnetselskaber og andre aktører kan aktivere fleksibelt forbrug. Det handler om automatisering, kunstig intelligens, software og big data i ’skyen’. I Intelligent Energi omsættes disse forskningsresultater bl.a. i arbejdet med at udforme fremtidens nettariffer, så de belønner fleksible kunder.

- Ja, elkunder kan levere betydelige mængder fleksibilitet til elnettet.

Det fastslår professor Henrik Madsen fra DTU Compute på baggrund af en række internationale forsknings- og demonstrationsprojekter – ikke mindst SmartNet og det omfattende projekt Centre for IT-Intelligent Energy Systems in Cities (CITIES), der med støtte fra Innovationsfonden og et samlet budget på over 100 mio. kr. løber frem til 2021. Ørsted, SE, Energinet.dk og Dansk Energi er sammen med Danfoss, Grundfos og Kamstrup blandt de mange partnere.

Flere andre studier har de senere år konkluderet, at det er begrænset, hvor meget det kan lade sig gøre at lokke kunder til at skrue op og ned for deres el-apparater, hvad enten det drejer sig om varmepumper, varmtvandsbeholdere, ventilationsanlæg, hjemmebatterier eller andet, men de konklusioner bygger på forkerte præmisser, mener Henrik Madsen.

Der er masser af fleksibilitet at hente, men det kræver, at apparaterne er fuldautomatiske og koblet på nettet.
Henrik Madsen, Professor, DTU Compute

- Det passer simpelt hen ikke. Der er masser af fleksibilitet at hente, men det kræver, at apparaterne er fuldautomatiske og koblet på nettet. Folk undlader ikke at bruge en hårtørrer, selv om de kan se på et display, at elprisen er høj, siger Henrik Madsen.

Han påpeger, at de danske elnetselskaber i 2020 har udrullet fjernaflæste elmålere til samtlige husstande og dermed har taget et vigtigt skridt i digitaliseringen af elsystemet. De næste skridt er automatiserede apparater og styrebokse/controllere samt dataopsamling, analyser og styring via ’skyen’.

Fleksibilitet skal gøres til et aktiv

Intelligent Energi (iEnergi) arbejder for bedre rammer for at aktivere fleksibiliteten i elnettet og ønsker at udvide det til både el- og varmetariffer. Der trækkes på erfaringer fra CITIES og andre projekter:

- Nettarifferne skal i højere grad udformes, så de understøtter fleksibiliteten, og derfor har vi i iEnergi nedsat en arbejdsgruppe, der ser på, hvordan reguleringen kan understøtte tidsdifferentierede elnettariffer kombineret med bedre muligheder for geografisk og lokal honorering af den fleksibilitet, kunden stiller til rådighed ved at reagere på et prissignal, fortæller branchechef Helle Juhler-Verdoner.

 - Automatisering og digitalisering er en afgørende faktor i forhold til aktivering af fleksible aktiver i elnettet – og muliggør udviklingen, som kan understøttes af kommercielle aktører, der puljer det fleksible forbrug, tilføjer hun.

Styring efter pris i USA

Dén digitale fremtid har CITIES taget hul på. I USA ser DTU Compute sammen med forskningsinstitutionen NREL i Colorado på mulighederne for pris-baseret styring af det fleksible forbrug og mulighederne for dermed at levere ydelser til fremtidens intelligente elnet.

Tidligere har DTU Compute analyseret data fra forsøg i USA med 20 huse, hvor familierne inden for de komfortintervaller, de selv har valgt, har accepteret en automatisk styring af deres varme- og kølesystemer. Lige nu studeres et langt større forsøg med 2.000 huse og mulighederne for at anvende fleksibiliteten til at levere ydelser til fremtidens elnet.

- Hvis vi hæver prisen på el, falder elforbruget – og omvendt, siger Henrik Madsen, der ser automatisering og internet-opkobling (The Internet of Things, IoT) som nøglen til at åbne dørene for fleksibilitetsydelser fra private borgere og virksomheder.

Min påstand er, at vi kan styre automatiserede apparater, hvad enten det drejer sig om varmepumper, swimmingpools eller renseanlæg efter elpriser.
Henrik Madsen, Professor, DTU Compute

Store datamængder og mange beregninger vil være involveret, så cloud computing ved hjælp af datacentre er også en forudsætning for, at ’operationen’ lykkes. Den sky-baserede tilgang betyder også, at installationen i det enkelte hus kan holdes på et minimum.

- Elnetselskaberne vil gerne have en garanti for, at de kan styre belastningen, og at den i et givet område vil falde med fx 2 MW. Med CITIES-projektet har vi udviklet de løsninger, der gør det muligt. Min påstand er, at vi kan styre automatiserede apparater, hvad enten det drejer sig om varmepumper, swimmingpools i luksussommerhuse eller – i stor skala – renseanlæg efter elpriser, siger Henrik Madsen.

Morgenmad og kogespids

Fleksibiliteten kan bruges til at mindske toppe i elforbruget fx omkring morgenmadstidspunktet og kogespidsen sidst på eftermiddagen. Det kan fx hjælpe elnetselskaberne med at planlægge en økonomisk optimal drift og netudbygning med færre kabler og færre transformerstationer.

Henrik Madsen fremfører, at det reelt er et spørgsmål om mere ’kobber’ (ledninger, batterier mv.) eller data-intelligente og automatiske løsninger.

Med CITIES-projektet er der udviklet software, der gør det muligt at styre apparaterne/anlæggene, og det testes nu i en lang række anvendelser; herunder en række anvendelser med sky-baseret styring af varmepumper. Eksempelvis i et Grundfos-testhus med solfangere, på et bibliotek, i sommerhuse med svømmebassin og på en lufthavn med termisk og elmæssig lagring.

Husene er typisk udstyret med en controller, der kommunikerer med den udviklede software, der også samler eksempelvis meteorologiske data og bud på elprisernes udvikling.

- Dermed kan vi også lave forecasts og optimere den økonomiske drift af det lokale system. I nogle perioder vil det kunne betale sig at bruge mere energi og spare den op for eksempel i en varmtvandsbeholder, fortæller Henrik Madsen og nævner, at forsøgene både i Bjerringbro og andre steder gentages igen og igen for at lære dynamikken og optimere systemerne sammen med kunderne.

En del af disse dataanalyser foregår som machine learning, hvor beregninger på data fra mange kilder samlet ude i skyen gør forståelsen af de mange sammenhænge bedre og bedre.

Styring efter effektivitet og CO2

De algoritmer, der udgør softwaren, kan variere alt efter, hvad kunderne ønsker. Huse, bygninger, renseanlæg, byområder, køleanlæg i supermarkeder og andre deltagere kan i stedet for pris vælge at lade sig styre af klimahensyn (CO2) evt. med data fra realtids-indekset www.electricitymap.org. Endnu en mulighed er at optimere efter energieffektiviteten.

- Med det her set-up kan de lokale elnetselskaber også sende prissignaler, der kan løser flaskehalsproblemer og eventuelle udfordringer med spændingskvalitet, ligesom systemansvaret kan bruge det som et middel til frekvensregulering, siger Henrik Madsen, der er meget tilfreds med, at Det Internationale Energiagentur (IEA) har kig på det nye set-up udviklet under CITIES, og at det dermed ser ud til at blive en international løsning for beskrivelse og anvendelse af fleksibiliteten hos elkunder.

Variation mellem nat og dag

Bygninger står for cirka 40 procent af energiforbruget og mange af dem kan bruges som et termisk lager. De er derfor interessante i forhold til at fremelske og aggregere fleksibilitet til brug for el- og varmesystemerne. Bygninger er imidlertid meget forskellige i forhold til varme- og ventilationssystemer, isolering, vinduer, brugsmønstre, grad af automatisering osv.

Nogle har lette konstruktioner og andre har tunge og er dermed mere interessante i forhold til at flytte energi fra dyre til billige tidspunkter.

- For hver enkelt bygning kan vi ved brug af machine learning beregne fleksibiliteten under såvel de nuværende som fremtidige rammebetingelser, siger Henrik Madsen og påpeger, at der kan være meget at hente eksempelvis i kontorbygninger, der måske tillader temperaturer på 17-27 grader om natten og 20-24 grader fra kl. 8-18.

Vigtigt med testzoner

Netop rammebetingelserne er vigtig for omfanget af mulig fleksibilitet. Derfor er det ifølge Henrik Madsen vigtigt, at mulighederne bliver afprøvet i større og mindre testzoner med forskellige teknologiske set-ups og prismodeller med fleksible tariffer og afgifter og i forhold til byer og bygninger, som er karakteristiske for det danske samfund.

- Vi skal have dynamiske priser og have mulighed for at koble energisystemer sammen på tværs. Dermed optimeres fleksibiliteten i det samlede system, og vi får mulighed for i langt højere grad at bruge strømmen, når der er meget vind og sol i elsystemet, siger Henrik Madsen.

Med CITIES er der altså udviklet et værktøj, der kan bruges til at optimere samspillet mellem energisystemer og bygninger (og andre enheder såsom rensningsanlæg og supermarkeder).

For DTU er CITIES vigtig også for at uddanne fremtidens forskere. Eksempelvis har ph.d.-studerende Rune Grønborg Junker været dybt involveret i udviklingen. Han er nu udstationeret i USA hos NREL, der bl.a. skal bruge erfaringerne til at gøre Hawaii til et fossilfrit øsamfund.