Valuing urban building flexibility portfolios under carbon-constrained electricity dispatch: A Shenzhen case study
Diese Studie bewertet ein Gebäudeportfolio in Shenzhen unter Kohlenstoffbeschränkungen und zeigt auf, dass die zeitliche Lastverschiebung primär die Betriebskosten senkt, während eine Nettoenergiereduktion essenziell ist, um bindende Emissionsbudgets zu entlasten, was somit die Notwendigkeit für unterschiedliche Marktdefinitionen für diese zwei Flexibilitätsdienstleistungen untermauert.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Städte sind voller Elektrizität. Jedes Bürolicht, jede Klimaanlage und jeder Aufzug bezieht Strom aus dem Netz und erzeugt so eine massive, schwankende Nachfrage, die in dem Moment erfüllt werden muss, in dem sie benötigt wird. Jahrzehntelang hat die Energiewirtschaft Gebäude als statische Verbraucher betrachtet und davon ausgegangen, dass ihr Stromverbrauch fest und unveränderlich sei. Eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten legt jedoch nahe, dass Gebäude tatsächlich flexible Ressourcen sind. Man kann sie dazu bewegen, ihren Stromverbrauch auf andere Tageszeiten zu verschieben oder ihren Gesamtverbrauch zu senken, wodurch sie wie eine riesige, unsichtbare Batterie wirken, die hilft, das Stromnetz auszubalancieren. Diese Flexibilität wird umso entscheidender, da die Welt versucht, die Kohlenstoffemissionen zu senken. Wenn die Stromerzeugung durch strikte Grenzwerte für Treibhausgase eingeschränkt ist, kann die Fähigkeit, die Nachfrage zu verschieben oder zu senken, zu einem mächtigen Werkzeug werden, um das Licht an der Wand zu halten, ohne mehr Brennstoff zu verbrennen. Die Herausforderung besteht darin, genau zu verstehen, welchen Wert diese Flexibilität besitzt und wie man sie korrekt definiert, denn das Verschieben von Energie ist grundlegend anders als das Reduzieren von Energie.
Ein Team von Forschern der Chinesischen Universität von Hongkong, Shenzhen, und der Shenzhen Power Supply Co., Ltd., setzte sich zum Ziel, diesen Wert in einer der dynamischsten Städte der Welt zu messen. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Frage: Spielt es eine Rolle, ob wir die Fähigkeit, den Energieverbrauch zu verschieben, als ein anderes Produkt behandeln als die Fähigkeit, den Energieverbrauch zu senken? Um dies zu beantworten, sammelten sie stündliche Stromaufzeichnungen von 143 echten Gebäuden in Shenzhen, die von Büros bis hin zu Hotels reichten. Anstatt jedes Gebäude einzeln zu betrachten, was rechnerisch überwältigend gewesen wäre, gruppierten sie diese in drei repräsentative Typen basierend auf ihrem Nutzungsverhalten. Diese Gruppen bildeten ein „Portfolio“, das als Stellvertreter für die gesamte flexible Nachfrage der Stadt fungierte. Die Forscher speisten diese Daten dann in ein hochentwickeltes Computermodell ein, das simulierte, wie das Stromnetz unter strengen Kohlenstoffgrenzen arbeitet. Dieses Modell fungierte als digitaler Zwilling des regionalen Stromsystems und berechnete den effizientesten Weg, Strom zu erzeugen und zu importieren, während gleichzeitig ein festgelegtes Budget für Kohlenstoffemissionen eingehalten wurde.
Die Studie zeigte zwei unterschiedliche Arten auf, wie diese Gebäude dem Netz helfen können, und der Unterschied zwischen ihnen ist signifikant. Die erste Art der Hilfe ist das Verschieben. Stellen Sie sich ein Gebäude vor, das während der heißesten Zeit des Tages seine Klimaanlage intensiv nutzt, aber warten kann, bis zum Abend, um dies zu tun, ohne dass es jemanden unbequem werden lässt. Dies ist eine energieneutrale Verschiebung; das Gebäude verbraucht exakt die gleiche Menge an Elektrizität, nur zu einer anderen Zeit. Die Forscher fanden heraus, dass diese Art des Verschiebens hervorragend geeignet ist, um die Kosten des Betriebes des Stromsystems zu senken. Indem sie die Nachfrage aus den teuren Spitzenzeiten wegverlagern, spart das System Geld bei Brennstoffen und Betriebskosten. In ihrer Simulation, als die Forscher einen großen Teil der Gebäude der Stadt erlaubten, ihren Verbrauch zu verschieben, sparte das System in einer einzigen Woche fast 0,4 Millionen RMB. Entscheidend war, dass diese Ersparnis ohne eine Änderung der gesamten emittierten Kohlenstoffmenge zustande kam, da der Strom einfach zu einer anderen Zeit genutzt wurde.
Die zweite Art der Hilfe ist die Reduktion. Dies geschieht, wenn ein Gebäude tatsächlich weniger Elektrizität verbraucht, als es normalerweise tun würde, etwa indem es Lichter ausschaltet oder die Thermostattemperatur leicht anhebt. Diese Aktion ist anders, weil sie physisch Energie aus dem Netz entfernt. Die Forscher entdeckten, dass die Reduktion unglaublich wertvoll wird, wenn das Stromsystem unter einem engen Kohlenstoffbudget steht. In ihrem Modell legten sie eine strikte Grenze für die Kohlenstoffemissionen fest, was das System zwang, Wege zu finden, mit weniger Verschmutzung zu arbeiten. Ohne diese Grenze reduzierten die Gebäude ihren Verbrauch nur dann, wenn es günstig war, was etwa 1.480 Megawattstunden einsparte. Aber als das Kohlenstoffbudget verschärft wurde, verlangte das System mehr Reduktion, um innerhalb der gesetzlichen Grenzwerte zu bleiben. Die Gebäude reagierten darauf, indem sie zusätzlich 803 Megawattstunden senkten, was die Gesamtreduktion auf über 2.200 Megawattstunden brachte. Diese zusätzliche Reduktion ermöglichte es dem System, das Verbrennen von teurem, kohlenstoffreichem Brennstoff zu vermeiden, was wiederum die Gesamtkosten der Kohlenstoffbeschränkung selbst senkte.
Die Studie testete auch, wie gut ihr vereinfachtes Modell aus drei Gebäudegruppen im Vergleich zu einem Modell abschneidet, das alle 143 Gebäude einzeln verfolgt. Die Ergebnisse waren bemerkenswert nah beieinander. Das vereinfachte Modell sagte die Gesamtsystemkosten und -einsparungen mit einem Fehler von weniger als ein Hundertstel Prozent voraus. Dies deutet darauf hin, dass das Gruppieren von Gebäuden nach ihrem allgemeinen Verhalten eine zuverlässige und effiziente Methode ist, um diese Dienstleistungen zu bewerten. Die Forscher merkten jedoch an, dass der spezifische Wert dieser Flexibilität stark davon abhängt, wie die Produkte definiert sind. Das Verschieben hilft dem Netz, seine täglichen Kosten zu managen, während die Reduktion hilft, seine langfristigen Umweltziele zu erreichen. Wenn eine Stadt versucht, diese Dienste als ein einziges, gemischtes Produkt zu verkaufen, könnte sie die spezifischen Vorteile jeder einzelnen Leistung übersehen.
Letztendlich bietet die Arbeit eine klare Roadmap dafür, wie Städte die Flexibilität ihrer Gebäude monetarisieren können. Sie zeigt, dass Verschieben und Reduzieren nicht dasselbe sind und dass sie als separate Produkte im Energiemarkt behandelt werden sollten. Verschieben ist ein Werkzeug für die wirtschaftliche Effizienz und glättet die täglichen Spitzen und Täler des Stromverbrauchs. Reduktion ist ein Werkzeug für die Einhaltung von Umweltauflagen und senkt direkt den CO2-Fußabdruck, wenn das Netz unter Druck steht. Durch die Unterscheidung zwischen den beiden können Netzbetreiber und Gebäudeeigentümer den wahren Wert ihres Handelns besser verstehen. In einer Welt, in der Kohlenstoffgrenzwerte immer strenger werden, könnte das Wissen darüber, ob man seinen Stromverbrauch verschiebt oder reduziert, der Unterschied zwischen einem kostspieligen, kohlenstoffintensiven Netz und einem sauberen, effizienten Netz sein. Die Simulationen der Forscher, die auf realen Daten aus Shenzhen basieren, beweisen, dass diese Flexibilität nicht nur eine theoretische Idee ist, sondern ein greifbarer Vermögenswert, der gleichzeitig Geld sparen und die Umwelt schützen kann.
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