I tidigare inlägg på denna blogg har vi beskrivit de produkter, tjänster och marknader som finns tillgängliga idag samt de som är under utveckling men som garanterat kommer att implementeras genom ett stabilt, långsiktigt regelverk. I det här inlägget kommer vi att utveckla hur den flexibilitet som tillhandahålls av element som elfordon, värmepumpar, lagringssystem etc. kan ge mervärde till olika aktörer i elsystemet och hur man kan tjäna pengar på detta mervärde genom olika produkter eller affärsmodeller. Det är nödvändigt att betona att i ett sammanhang där elsektorn regleras av marknadsmekanismer, för att uppnå en massiv penetration av denna typ av resurs och därmed gynna en övergripande ökning av effektiviteten och processen för minskade koldioxidutsläpp, räcker det inte med att en lösning är genomförbar ur teknisk synvinkel utan den måste också vara genomförbar ur ekonomisk synvinkel.
Vi kommer att gå igenom vilka tjänster en flexibilitetsaggregator kan tillhandahålla de olika agenter som ingår i systemet. Vissa av dessa tjänster är kompatibla med varandra och därför kan en flexibilitetsaggregator erbjuda två eller flera kompatibla tjänster samtidigt till mer än en agent och på så sätt maximera fördelarna med att hantera denna flexibilitet. I andra fall kommer de tjänster eller produkter som erbjuds att vara oförenliga och aggregatorn måste, beroende på sin portfölj av aggregerade enheter, välja vilken som är dess bästa affärsmodell och fokusera på specifika produkter eller tjänster. Det bör påpekas att aggregatorns roll i vissa fall kan ingå i återförsäljaren, medan aggregatorn och återförsäljaren eller leverantören i andra fall kommer att vara olika företag. I schemat i figur 1 kan vi se hur leverantören ansvarar för att förse prosumenten med energi, men det är aggregatorn som hanterar flexibiliteten.
Fig. 1 Schema som representerar aggregator och leverantör som olika företag. I vissa fall kan båda rollerna finnas inom samma företag.
I vissa fall krävs duplicerad eller redundant mätning för dessa typer av tillämpningar. I följande stycken kommer de produkter som aggregatorn kan erbjuda de olika aktörerna i systemet att klassificeras enligt vilken aktör inom elsystemet som kan vara kund till dem och mervärdet av varje specifik produkt kommer att förklaras för varje specifik kund. En sammanfattning av de olika produkterna samt en representation av aggregatorns interaktion med de olika aktörerna framgår av figur 2.
Specifika produkter för distributörer
Den utsträckning i vilken energidistributionsföretagen kan kontrollera vad som händer i deras nät är acceptabel på högspänningsnivå men mycket låg eller obefintlig i många fall i lågspänningsnät. Under vissa omständigheter har de krafttransformatorstationer som förbinder lågspänningsnätet med mellanspänningsnätet kranväxlare som gör det möjligt för dem att reglera transformatorns utspänning i viss utsträckning beroende på belastningen på de lågspänningsledningar som de betjänar. Antalet operationer som denna typ av anordning kan utföra är dock mycket begränsat eftersom de i de flesta fall måste göras manuellt och när en kran väl har ändrats förblir den i det läget under en lång tidsperiod, så denna mekanism är inte acceptabel i ett sammanhang där dynamiken i lastvariationen orsakar snabba fluktuationer i spänningsnivån. Något liknande kan sägas om användningen av kondensatorbatterier som tillför reaktiv effekt till systemet och höjer dess spänning. Å ena sidan är användningen inte särskilt omfattande och dess kontrollmekanismer tillåter inte en snabb och kontinuerlig reglering av den inmatade reaktiva effekten.
Fig. 2 Schema som representerar aggregatorns interaktion med resten av agenterna i systemen samt de produkter som aggregatorn kan erbjuda dem.
En annan fråga att ta hänsyn till är den eventuella överbelastningen av ledningar och krafttransformatorer. Det måste beaktas att det europeiska lågspänningsdistributionsnätet i stadsmiljöer har en mycket komplex topologi som gör det möjligt att omkonfigurera och på så sätt fördela belastningen från vissa krafttransformatorstationer till andra, dvs. en viss linje kan matas (inte samtidigt) från två eller flera krafttransformatorstationer, vilket gör det möjligt att lösa vissa överbelastningar. Men återigen, i de flesta fall är denna omkonfiguration manuell och när den väl är gjord tenderar den att förbli statisk i månader eller år, så den här tekniken uppfyller inte heller de dynamiska kontrollkrav som krävs för att hantera distribuerade resurser med hög variabilitet.
I detta avseende måste det sägas att distribuerade resurser inte bara ger flexibilitet i den meningen att de kan variera sin effekt eller skifta sin förbrukning över tid, utan ett gemensamt drag är att de är anslutna till nätet genom omvandlare vars funktionskatalog är mycket omfattande. Såväl elfordon med enkel eller dubbelriktad laddning som värmepumpar, ackumuleringssystem, solcellssystem och andra resurser ansluts till nätet via omvandlare som möjliggör en mycket snabb variation av arbetsförhållandena. Förordningar som den som föreslås av IEEE i dess 1547 Standard on the requirements for converters for interconnecting distributed resources to the network [1], eller de framsteg som gjorts av arbetsgrupp WG17 i IEC:s tekniska kommitté TC57 för att anpassa IEC 61850-standarden om system för automatisering av kraftverk inkluderar redan denna typ av funktionalitet för smarta omvandlare [2]. En detaljerad beskrivning av de ovannämnda funktionerna ligger utanför ramen för detta dokument och finns i litteraturen i dokument som det som föreslagits av EPRI (Electric Power Research Institute) i rapporten "Common Functions for Smart Inverters" [3]. Sammanfattningsvis kan vi säga att de funktioner som beskrivs är möjliggörande teknik för implementering av hela uppsättningen produkter och tjänster som de flexibla resurserna kan erbjuda distributörerna och även resten av systemets aktörer. På detta sätt är de produkter/tjänster som en flexibilitetsaggregator kan erbjuda en distributör följande:
- Hantering av överbelastning: Om de samlade resurserna är koncentrerade till ett visst geografiskt distributionsområde kan aggregatorn samordna resurserna på ett sådant sätt att distributören garanteras en driftpunkt under överbelastningen. Ett exempel skulle kunna vara samordnad laddning av elfordon, vilket skulle undvika toppbelastningar och därmed minska behovet av investeringar i underhåll och uppgradering av nätet från distributörens sida. Normalt sett kan den högsta efterfrågan i ett lågspänningsnät, beroende på konsumentprofilen, inträffa antingen mitt på dagen eller på natten. Distributören måste ha den infrastruktur som krävs för att hantera dessa belastningstoppar, som normalt varar under en mycket kort tid, och detta innebär att man under större delen av tiden arbetar med en överdimensionerad infrastruktur. Aggregeringstjänsten skulle göra det möjligt att lösa överbelastningen av infrastrukturen genom att samordna flexibiliteten och på så sätt bidra till att öka leveranskvaliteten, samtidigt som distributionsföretagen kan spara in på infrastrukturinvesteringar.
- Spänningsreglering: Som nämnts ovan är de mekanismer för spänningsreglering som för närvarande finns tillgängliga för distributörerna mycket få och har i bästa fall en långsam dynamik. I det här fallet bör det nämnas att de distribuerade enheterna återigen har en underutnyttjad tillgång som gör det möjligt att reglera spänningen, det vill säga den omvandlare som finns i solgenereringssystem, ackumuleringssystem, i vissa laddningssystem för elfordon etc. Omvandlare för nätanslutning använder den nominella strömmen under mycket korta tidsperioder, när det gäller solgeneratorer, till exempel, kommer de som mest att använda den maximala strömmen för att injicera aktiv effekt vid timmen med maximal strålning en solig dag, resten av tiden kommer de att arbeta under sin nominella kapacitet. I detta fall kan denna kapacitet användas för att mata in reaktiv effekt "gratis" för ägaren av tillgången så att lokal spänningskontroll utövas i distributionsnätet. Det bör noteras att exemplet med solkonvertern har tagits upp eftersom vid en efterfrågetopp på natten som orsakar stora spänningsfall kan solkonverterarnas fulla kapacitet användas för att tillföra reaktiv effekt och höja nätspänningen. Dessutom finns det i distributionsnät, med tanke på det höga R/X-förhållandet (resistans/reaktans), också en hög korrelation mellan förbrukning/injektion av aktiv effekt och spänningsnivån, så en styrning av typen Volt-Watt skulle också kunna implementeras i omvandlarna. Denna styrning skulle förhindra att spänningen ökar eller minskar för mycket på grund av överinmatning eller överkonsumtion av distribuerade resurser, och i det här fallet kan och bör denna typ av styrning installeras i system för fordonsladdning, V2G-system, värmepumpar etc.
Specifika produkter för balansansvariga parter (BRP)
BRP:erna ansvarar för att upprätthålla energibalansen i systemet och är ansvariga för avvikelser från denna balans. På grund av detta är det vanligt att en enda BRP representerar en diversifierad portfölj av produktionstekniker, liksom konsumenter eller återförsäljare, för att minska risken för missmatchningar och därmed minska kostnaderna. Att ha en aggregator i sin portfölj av representerade företag kan därför ge BRP:n ett mycket viktigt värde, just på grund av den flexibilitet som aggregatorn hanterar. Det finns 3 mekanismer genom vilka en BRP kan tjäna pengar på de flexibilitetstjänster som tillhandahålls av en aggregator, vilka är följande:
- Optimering av portföljen för dagen före: Den flexibilitet som aggregatorn ger BRP gör det möjligt för BRP att verka på elmarknaden dagen före genom att överföra nettobelastning från perioder med högt marknadspris till perioder med lågt marknadspris, vilket minskar kostnaden för inköp av energi. På så sätt kan BRP på den dagliga marknaden tjäna pengar på den flexibilitet som aggregatorn tillhandahåller, vilket i sin tur bör dela med sig av dessa fördelar till de hanterade prosumenterna.
- Optimering av intradagsportföljen: Modellen liknar den som presenterades för dagen före-marknaden, men i det här fallet kommer den flexibilitet som aggregatorn ger att användas av BRP för att verka på de olika intradagsmarknaderna.
- Självbalanserande portföljoptimering: Om någon avvikelse från schemat upptäcks under en av de så kallade avräkningsperioderna för obalans (ISP) kan aggregatorn ge BRP den flexibilitet som krävs för att minska denna obalans och därmed undvika straffavgifter. Skillnaden mellan detta fall och de två föregående är att BRP nu inte kommer att använda aggregatorns flexibilitet för att agera på marknaden utan för att minska sin avvikelse från sin planerade energi. BRP måste dock, precis som tidigare, ersätta aggregatorn för denna flexibilitet med ett belopp som självklart måste vara lägre än den straffavgift som undviks. Aggregatorn måste i sin tur ersätta ägarna av de aggregerade enheterna som är de slutliga leverantörerna av flexibiliteten. En aggregator som är specialiserad på V2G-applikationer kan t.ex. arbeta med en BRP vars portfölj baseras på förnybar produktion. I fall där produktionen är lägre än förväntat kan aggregatorn skicka en order till fordonen att mata in ström i nätet under en del av ISP:n (vanligtvis 15 minuter) och på så sätt undvika avvikelseavgiften. Om produktionen var högre än förväntat skulle aggregatorn ge en laddningsorder till fordonen. På så sätt skulle ersättning kunna erhållas inte bara för att mata in ström i nätet utan också för att förbruka den under lämplig period.
- Säkring/portföljtillräcklighet: I detta fall skulle aggregatorn teckna ett bilateralt avtal med en BRP på ett sådant sätt att den skulle aktivera sin flexibilitet till ett fast pris i händelse av att marknadspriset till vilket BRP köpte energin översteg ett visst värde. Liksom i det föregående fallet skulle den tjänst som aggregatorn tillhandahåller BRP:n ersättas enligt de villkor som anges i avtalet och inte genom en marknadsmekanism [4].
När det gäller de tre föregående produkterna måste man ta hänsyn till att de i vissa fall kanske inte är förenliga med de tjänster för hantering av överbelastning som tillhandahålls distributören, dvs. balansansvariga kan kräva en ökad förbrukning från aggregatorn men denna ökade förbrukning är oförenlig med att undvika överbelastning i ett visst distributionsområde. I sådana fall finns det mekanismer för att prioritera en aggregators order om effektökning eller effektminskning när den erbjuder produkter samtidigt till balansansvariga och distributörer [5].
Specifika produkter för leverantörer av balanstjänster (BSP)
De tjänster som en aggregator kan tillhandahålla en BSP är tekniskt sett mycket lika de som tillhandahålls en BRP, den största skillnaden är hur BSP drar nytta av dem. I det här fallet kan BSP använda flexibiliteten för att delta i driftmarknader som säljer primär, sekundär eller tertiär reglering, så i det här fallet är de produkter som erbjuds tydliga:
- Primär kontroll: för den här modellen bör aggregatorn konfigurera de distribuerade resurser som den hanterar så att de reagerar mycket snabbt och automatiskt på förändringar i nätfrekvensen. Detta innebär inte några tekniska svårigheter eftersom de omvandlare som används för att koppla samman den distribuerade resursen med nätet har PLL-system (Phase Locked Loop) som gör att de kan synkronisera med nätet och därmed uppskatta variationer i frekvensen. När det gäller elfordon kan laddaren, om den upptäcker en minskning av nätfrekvensen, automatiskt stänga av laddningen och på så sätt bidra till att återställa frekvensen och stödja systemet. Om fordonen dessutom är utrustade med V2G-teknik kan de också reagera på en frekvensnedgång genom att mata in ström. Man bör komma ihåg att den energi som hanteras i den primära regleringen är relativt liten eftersom den inte varar längre än några sekunder, vilket innebär att fordonens laddningstider i det beskrivna exemplet inte skulle påverkas. I vissa länder, t.ex. Spanien, är denna tjänst obligatorisk men inte avgiftsbelagd. I andra länder, till exempel Tyskland, auktioneras denna tjänst ut varje vecka.
- Sekundär kontroll: aktiveringssignalen för flexibilitet skulle automatiskt genereras i ett centralt kontrollsystem som skulle kräva aktivering av ökning eller minskning av effekten per zon. I detta fall bör den effekt som skall ökas eller minskas också bibehållas under korta tidsperioder som bestäms av obalansavräkningsperiodernas längd (15 minuter) så att aktiveringen av denna tjänst i princip inte skulle medföra någon relevant komfortförlust för slutanvändarna i de allra flesta fall. Med andra ord skulle enbart det faktum att man fördröjer på- eller avstängningen av en värmepump eller laddningen av ett elfordon med 15 minuter praktiskt taget inte ha någon inverkan på slutanvändaren, men det skulle kunna medföra viktiga fördelar för systemet och även generera viktiga ekonomiska intäkter för aggregatorn och slutanvändarna.
- Tertiär reglering: Affärsmodellen för att ge flexibilitet att delta i tertiär reglering liknar mycket den som beskrivs för sekundär reglering, men i det här fallet är svarstiden längre och den effekt som ska höjas eller sänkas måste upprätthållas under en längre tid. Aggregatorn skulle kunna sprida ut kortvariga order om effektökning/minskning till de olika enheter som den hanterar, vilket gör att åtgärden globalt sett varar de två timmar som krävs, men utan att orsaka komfortförluster för slutanvändarna.
Som nämnts för tjänster som tillhandahålls till BRP:er, kan det i fråga om tjänster som tillhandahålls till BSP:er finnas tillfällig oförenlighet med tjänster som tillhandahålls till distributörer om aggregatorn erbjuder tjänster samtidigt till båda agenterna. Det finns dock ingen oförenlighet mellan de tjänster som aggregatorn tillhandahåller en BRP och en BSP samtidigt.
Specifika produkter för prosumenter eller aktiva konsumenter
Prosumenten är den viktigaste aktören och den som i slutändan tillhandahåller flexibiliteten, som oftast hanteras genom en aggregator eller en energigemenskap. När det gäller energigemenskapen kan den ta på sig aggregatorns funktioner, hantera flexibiliteten för sina medlemmar och sluta avtal med både BRP:er och BSP:er för att värdesätta denna flexibilitet. Eftersom energigemenskaper per definition är icke-vinstdrivande enheter, skulle de vinster som erhålls användas för att sänka priset på elförsörjningen för deras anslutna kunder. Denna prissänkning bör tillämpas på ett sätt som står i proportion till den flexibilitet som var och en av de associerade parterna tillhandahåller.
När en aktiv konsument tecknar ett leveransavtal med en återförsäljare kan den senare fungera som aggregator och hantera inte bara konsumentens leverans utan också dess flexibilitet och låta konsumenten ta del av en del av de vinster som erhålls genom att använda sin flexibilitet på de olika marknader som beskrivits tidigare. Det kan också vara så att aggregatorn och återförsäljaren presenteras som separata enheter så att återförsäljaren ansvarar för att leverera energin till prosumenten men det är aggregatorn som hanterar dess flexibilitet och använder den genom att erbjuda den till distributörer, BRP:er och BSP:er, i vilket fall prosumenten också bör delta i en del av de vinster som aggregatorn erhåller. Som exempel kan nämnas att en viss aktiv konsument kan sluta avtal om sin elförsörjning med återförsäljaren "A", men att hanteringen av laddningen/urladdningen av hans elbil i fallet V2G skulle tilldelas en aggregator "B". Företag A installerar en mätare som täcker hela installationen (hus plus fordon) och fakturerar för den energi som förbrukas. Företag B installerar en mätare som endast påverkar elbilsladdaren för att få veta hur mycket flexibel energi som har använts. Konsumenten skulle betala för den energi som används för att ladda bilen till A, men B skulle betala konsumenten för att hantera processen med att ladda/urladda fordonet. Möjligheterna här är oändliga.
I föregående stycke beskrivs hur prosumenter kan involveras i de fördelar som aggregatorer kan få genom att hantera den flexibilitet som konsumenterna tillhandahåller.
Det finns dock produkter som aggregatorer kan erbjuda direkt och specifikt till konsumenter så att de direkt kan dra nytta av sin egen flexibilitet. Dessa tjänster är följande [4; 5]:
- Optimering av användningstid: De tariffer som återförsäljarna erbjuder sina kunder har i vissa fall rörliga priser under olika perioder av dygnet och i vissa fall kan dessa priser till och med variera dynamiskt i realtid. Aggregatorn kan förstå kundens kapacitet och vanor för att flytta så mycket last som möjligt från hög- till lågprisperioder och på så sätt få kunden att dra största möjliga nytta av sin flexibilitet genom att minska sina energikostnader.
- Kontroll av maximal effekt: En mycket viktig term i de flesta elpriser som erbjuds av återförsäljare är den s.k. effekttermen som representerar kostnaden för tillgången till maximal effekt. Med andra ord kommer användaren att betala mer ju högre toppeffekt den kan förbruka. I många fall utgör effektvillkoret en mycket viktig del av tariffen och användaren når endast denna effekt i specifika situationer, t.ex. när fordonet laddas samtidigt som förbrukningen i hemmet är hög. Låt oss anta att en användare har en solcellsgenerator, ett ackumuleringssystem och ett elfordon. Låt oss också anta att den överskottsenergi som genereras av solcellspanelen under dagen används för att ladda batteriet och att batteriet börjar laddas ur kl. 19.00 eftersom elförbrukningen i hemmet börjar öka. Klockan 22.00 börjar elfordonet laddas, men batteriet är redan urladdat så att all energi från fordonet och huset måste hämtas från nätet, vilket innebär en hög toppbelastning och ett behov av att öka effektdelen i tariffen och därmed den totala kostnaden. Aggregatorn skulle ladda batteriet under dagen men inte börja ladda ur det kl. 19.00 utan vänta tills fordonet krävde ström kl. 22.00 och ladda ur batteriet mot fordonet, på så sätt skulle fordonets påverkan bli mindre och användaren skulle kunna minska effektperioden i tariffen. Detta är bara ett av otaliga exempel som kan ges.
- Självbalanserande: I likhet med den tidigare produkten och tillgänglig för de prosumenter som har betydande flexibel kapacitet, skulle självbalanserande tekniker göra det möjligt att hantera prosumentens alla flexibla resurser på ett integrerat och optimalt sätt, med hänsyn till energiköps- och försäljningspriser, kapacitet och konsumentvanor.
- Kontrollerad isolering: I svaga nät med problem med elkvaliteten, t.ex. mikroavbrott eller problem med under- eller överspänning, kan aggregatorn avsiktligt isolera konsumenten från nätet och göra den självförsörjande under en viss tidsperiod.
[1] "IEEE Draft Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Energy Resources with Electric Power Systems and Associated Interfaces", IEEE P1547.1/D9.8, december 2019, s. 1-283, 2019.
[2] T. C. 57 IEC, "IEC 61850: Communication networks and systems for power utility automation", International Electrotechnical Commission Std, vol. 53, s. 54, 2010.
[3] Gemensamma funktioner för smarta växelriktare: 4th Edition, EPRI, Palo Alto, CA, 2016, 3002008217.
[4] H. de Heer och M. van der Laan, "USEF: Workstream on Aggregator Implementation Models," USEF Aggregator Workstream Final Report, 2017.
[5] P. Olivella-Rosell, P. Lloret-Gallego, Munné-Collado, R. Villafafila-Robles, A. Sumper, S. Ottessen, J. Rajasekharan och B. Bremdal, "Local Flexibility Market Design for Aggregators Providing Multiple Flexibility Services at Distribution Network Level", Energies, vol. 11, s. 882, 2018.
