Linear: Actieve vraagsturing bij gezinnen

Enkele belangrijke onderzoeksvragen daarbij waren:

- Welk voordeel levert een gedragsverandering op aan de gezinnen en aan de industrie?
- Hoe worden kosten en voordelen over de betrokken partijen verdeeld?
- Welke oplossingen geven voldoende motivatie en comfort voor een gedragswijziging?
- In welke mate kunnen en willen gezinnen hun gedrag aanpassen?

Voor Linear of ‘Local Intelligent Networks and Energy Active Regions’ hebben een twintigtal partners de handen in elkaar geslagen. Het project startte op 1 mei 2009, duurde tot eind 2014 en ontstond uit een samenwerkingsverband tussen onderzoeksinstellingen zoals KU Leuven, VITO, iMinds en imec; de industrie en de Vlaamse overheid.

Dit grootschalige proefproject dat bij 250 Vlaamse gezinnen getest werd, scoorde hoge ogen als voorbeeldproject van een toegepast slim netwerk. Als erkenning kreeg het dan ook het Europese EEGI-label en de global ISGAN Award. En daar blijft het niet bij, verschillende producten en diensten worden nu nog steeds verder ontwikkeld door de Linear-partners.

In ons elektriciteitsnetwerk volgt de elektriciteitsproductie op ieder ogenblik nauwkeurig de vraag, dat is het basisprincipe van het netwerk. Maar dit is steeds moeilijker vol te houden. De capaciteit van onze klassieke productie daalt: energieproducenten sluiten oudere en onrendabele centrales en we bouwen ook de nucleaire productie geleidelijk af. Tegelijkertijd installeren we extra productie, meestal in de vorm van wind- en zonne-energie. Maar die laten zich leiden door het weer, en niet door de vraag naar energie.

Daardoor ontstaan soms energieoverschotten, zoals tijdens het zonnige Pinksterweekend van 2012 en tijdens de Paasmaandag van 2013, toen we zoveel overschot produceerden dat het net dreigde uit te vallen. Volgens dezelfde regel stijgt ook de kans op energietekorten, bijvoorbeeld tijdens koude, grijze en windstille winterdagen, wanneer de vraag groot is.

Die veranderingen in het productiemodel kunnen we voor een deel oplossen door de logica om te keren: door in de toekomst het energieverbruik af te stemmen op het aanbod. Met Linear onderzochten een twintigtal betrokken partners bij 250 testgezinnen hoe we het energieverbruik bij de consument thuis het best en eenvoudigst kunnen aanpassen aan de beschikbaarheid van zonne- en windenergie.

Linear onderzocht met twee beloningsmodellen en vier business cases hoe gezinnen en producenten of netbeheerders het energieverbruik beter op de productie kunnen afstemmen. Gezinnen aanmoedigen om hun energieverbruik te verschuiven, kan door hen financieel aan te moedigen (tariefsturing), of door hun toestellen automatisch te besturen (automatische sturing) en de gezinnen te belonen voor de hoeveelheid flexibiliteit die ze bieden. 

AUTOMATISCHE VRAAGSTURING

Bij driekwart van de deelnemers implementeerden we een geautomatiseerd systeem waarbij Linear de toestellen inschakelde. Linear deed dat als daar nood aan was, bij energie-overschotten of bij onevenwichten in het net, wanneer ook de prijs lager was. Het toestel blijft het comfort van het gezin bewaken.

Praktisch leggen we dit het beste uit met een voorbeeld: Een proefgezin wil ’s avonds een propere vaat hebben. Ze zetten hun toestel om 8u ’s morgens aan en stellen de deadline in op 18u, als ze het propere servies willen gebruiken. Het toestel heeft twee uur nodig om de vaat uit te voeren, dus het moet ten laatste starten om 16u. Op die manier ontstaat er een tijdsvenster tussen 8 en 16u. Tijdens die 8 uur flexibiliteit kan Linear het toestel van op afstand starten. Als de machine om 16u nog niet is begonnen, zal het toestel zichzelf aanschakelen zodat het gezin sowieso een propere vaat heeft om 18u. Dit is een toepassing van automatische vraagsturing door Linear.

Dit werkt natuurlijk alleen als de energieleverancier met de toestellen van de consument kan communiceren. We gebruikten daarvoor slimme toestellen. Wanneer en op basis van welke criteria het toestel het beste aan zijn taak kon beginnen, onderzochten we volgens vier business cases.

Linear combineerde deze automatische sturing met tariefsturing: als de toestellen ingeschakeld werden, zou dit aan betere prijzen zijn. Het is de bedoeling dat ook de consument zijn voordeel doet met automatische vraagsturing.

VARIABELE TARIEFSTURING

Het bekendste en oudste voorbeeld van tariefsturing in de energiesector, is het nacht/dagtarief. Om hun productie tussen nacht (weinig vraag) en dag (grote vraag) niet te veel te moeten aanpassen, gebruiken de energieproducenten lagere prijzen tijdens de nacht. Daarmee stimuleren ze hun klanten om hun energieverbruik indien mogelijk naar de nacht te verschuiven.

Met klassieke energiebronnen was de productie tot enkele jaren geleden vrijwel stabiel, met meestal alleen verschillen tussen zomer en winter. Door de toename van hernieuwbare energiebronnen is de productie echter zeer variabel geworden, met zeer onvoorspelbare overschotten tot gevolg. Overdag tijdens weekends bijvoorbeeld, als de zon hard schijnt, of ’s nachts als het stevig waait, … Net zoals met nachttarieven, kan ook dan de prijs verlaagd worden, maar die verschillen zullen niet zo voorspelbaar zijn als het dag/nachttarief.

Eerdere Europese projecten toonden al aan dat onvoorspelbare variabele tarieven het gebruikspatroon maar beperkt doen wijzigen. Daarom gebruikte Linear dit concept (zonder automatische sturing) maar bij een kwart van de deelnemers. Deze proefgezinnen kregen via een display zicht op 6 tariefblokken per dag, waarbij de prijzen van dag tot dag verschilden in functie van de voorspelde zon, wind, vraag en aanbod. Volgens het time of use-concept verdeelden we een dag in zes vaste tijdzones. Dagelijks bepaalden we het energietarief voor de volgende dag, rekening houdend met de productie van zon- en windenergie en met het verwachte verbruik. Het was de bedoeling dat deelnemers hun elektriciteitsverbruik in de goedkopere tijdsblokken zouden plannen en zo economisch voordeel uit de gedetailleerde tariefformule haalden. Bovendien konden ze hun totale energieconsumptie helder opvolgen en bijsturen.

Naast de gebruikersinteractie evalueerde Linear ook vier business cases waarmee energieleveranciers hernieuwbare energie in hun netten kunnen integreren.

Naarmate we meer verschuiven van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energie, zullen gezinnen minder gas en olie verbruiken en omschakelen naar warmtepompen en elektrische voertuigen. Gezinnen zullen hun gebruik van fossiele brandstoffen daardoor waarschijnlijk halveren, maar hun elektriciteitsverbruik zal verdrie- of zelfs verviervoudigen. De pieklasten die de elektriciteitsnetten en -productie moeten opvangen, zullen daardoor veel zwaarder worden en een impact op de werking en de kost van het elektriciteitssysteem hebben.

Energieleveranciers en netbeheerders staan voor grote uitdagingen. Om zware investeringen in hun uitrusting te vermijden, onderzocht Linear of ze de pieklasten en de gevolgen ervan kunnen beperken.

Portfolio management

Via Portfolio Management rekent de energieleverancier de variatie van de energieprijzen door in zijn tarieven en doet hij dus aan tariefsturing. De gezinnen kregen 6 tariefblokken per dag waarvan de prijzen dagelijks verschilden in functie van de verwachte zon, wind, vraag en aanbod. Iedere dag om 16 uur werden de tarieven voor de volgende dag vrijgegeven. We onderzochten naast die tariefsturing ook de mogelijkheden van automatische sturing, waarmee de leveranciers de toestellen bij gezinnen zelf kunnen inschakelen om het net te ontlasten.

Wind balancing

De opbrengst van windenergie kan zeer aanzienlijk zijn, maar windenergie voorspellen is moeilijk omwille van de lokale verschillen. Nochtans zijn die windvoorspellingen essentieel om het net te balanceren. Als de windopbrengst sterk afwijkt van de voorspelling, moet het overschot of tekort opgevangen worden. We onderzochten de mogelijkheden van automatische sturing, waarbij we in real time toestellen uit- of inschakelden. Hiermee kan de energieleverancier boetes vermijden op de onbalansmarkt.

Transformatorveroudering

Op lokaal vlak hebben de transformatoren die een wijk van spanning bedienen, moeite om de pieken van hernieuwbare energie te verwerken. Linear wou de pieklasten beperken door het energieverbruik af te stemmen op lokaal opgewekte energie. We bestudeerden het effect als we slimme toestellen in perioden met weinig basisverbruik automatisch inschakelden.

Door de pieklasten in te dijken, spreidden we het vermogen in tijd en werd de temperatuur van de transformator beperkt. We konden op die manier ofwel de levensduur van de transformator verlengen ofwel vermijden dat de transformator verzwaard moest worden, in beide gevallen een kostenbesparing.

Lijnspanningsprofiel

De meeste toestellen in huis werken op een spanning van 230 Volt. Als de spanning te laag is, zullen sommige toestellen niet meer functioneren. Als de spanning te hoog is, bijvoorbeeld bij een blikseminslag, zullen ze stuk gaan. Netbeheerders waken erover dat de geleverde spanning altijd binnen de toegestane marges blijft. De spanning is traditioneel het hoogste aan de transformator, en daalt naarmate de woning zich verder van de transformator bevindt - doordat andere woningen spanning afnemen en door de weerstand van de kabel zelf.

Aangezien huizen sinds enkele jaren ook zelf energie aanleveren, bijvoorbeeld met zonnepanelen, kan de spanning ook in het midden van een woningrij stijgen. Dat maakt de mogelijkheden om de spanning binnen de marges te houden heel wat uitdagender voor de netbeheerder. Daarom schakelen fotovoltaïsche omvormers automatisch uit bij een te hoge spanning.

We onderzochten de mogelijkheden van automatische sturing om de spanning op aansluitpunten van individuele woningen te optimaliseren. Dat kan bijvoorbeeld door de toestellen van de verbruikers in de verschillende woningen gericht aan te zetten. Zo kunnen we vermijden dat er extra kabels tussen de woningen en de transformator nodig zijn, een dure investering, om niet te spreken van het aantal open te breken stoepen en straten. Het alternatief waarbij gezinnen geen garantie op een continue spanningskwaliteit krijgen, is natuurlijk geen optie.

EnergyVille heeft als projectcoördinator de technische specificaties en architectuur uitgewerkt waarbij een evenwicht werd nagestreefd tussen het beperken van de inspanningen voor de partners en een open architectuur die verschillende systeemleveranciers en aggregatoren toelaat. Vervolgens stond EnergyVille ook in voor de dagdagelijkse afstemming van de implementatie en testen waarbij uitgebreid gebruik gemaakt werd van het Home lab en Matrix Lab.

Ook de communicatie, website, nieuwsbrieven en events werden door EnergyVille opgezet net als de rekrutering van deelnemers, de technische ondersteuning en de opvolging van de systemen bij de deelnemers.

Vermits niet alle vereiste technologie beschikbaar was, heeft EnergyVille conceptideeën uitgewerkt tot prototypes en 20 slimme boilers en 75 witgoedcontrollers geassembleerd die bij de gezinnen thuis geïnstalleerd werden gedurende 18 maanden.

EnergyVille heeft simulatieomgevingen uitgewerkt voor Linear om de impact van nieuwe concepten te onderzoeken en testen en enkele van deze concept zijn omgezet in software die gebruikt werd voor de real time aansturing in de veldtest. Daarnaast zijn ook data-analyses en de redactie van deze resultaten tot een boek door EnergyVille uitgevoerd.