Integrated equilibrium model for electrified logistics and power systems

Stel je een bruisende stad voor waar twee reusachtige spelers een hoogwaardige dans uitvoeren: de Electric Logistics Operator (ELO), die een vloot van 1.000 elektrische vrachtwagens beheert, en de Power System Operator (PSO), die het elektriciteitsnet beheert.

In het verleden dansten deze twee partijen naar verschillende muziek. De netbeheerder stelde prijzen vast op basis van hoeveel stroom iedereen anders gebruikte, terwijl het bezorgbedrijf zich alleen probeerde te richten op het zo snel mogelijk bezorgen van pakketjes aan klanten, waarbij de kosten van elektriciteit werden genegeerd. Maar dit artikel suggereert dat dat is alsof je een auto probeert te rijden terwijl je de brandstofmeter negeert. De auteurs bouwden een nieuw "geïntegreerd evenwichtsmodel" om te zien wat er gebeurt als deze twee spelers naar elkaars muziek beginnen te luisteren.

Het dilemma van de vrachtwagen: Een videogame-strategie

Beschouw elke elektrische vrachtwagen als een personage in een complexe videogame. De vrachtwagen heeft een batterij (zijn "gezondheid"), een kaart van bezorgzones en een lijst met taken. Het spel gaat niet alleen over rijden; het gaat over het maken van beslissingen in een fractie van een seconde: Moet ik nu stoppen om te laden? Moet ik een levering doen? Moet ik wachten?

De onderzoekers modelleerden dit met iets dat een Perturbed Utility Markov Decision Process (PU-MDP) wordt genoemd. In gewone mensentaal is dit een chique manier om te zeggen dat de vrachtwagens slim genoeg zijn om hun eigen "score" (winst) te proberen te maximalen, maar dat ze ook een beetje willekeur of "ruis" in hun besluitvorming hebben, net zoals echte chauffeurs afgeleid kunnen raken of een iets suboptimale keuze kunnen maken.

De ELO (de baas) vertelt de vrachtwagens niet precies wat ze moeten doen. In plaats daarvan stelt de baas beloningen (zoals bonuspunten) in voor bepaalde acties. Als elektriciteit goedkoop is in een specifieke buurt, geeft de baas een hoge beloning voor het opladen daar. Als een levering dringend is, stijgt de beloning voor het leveren. De vrachtwagens spelen vervolgens het spel om punten te maximalen, wat per ongeluk (maar perfect) samenvalt met het doel van de baas om het meeste geld te verdienen.

De reactie van het net: Het prijskaartje

Aan de andere kant van de dansvloer staat de PSO. Zij kijken naar de totale stroombehoefte van de vrachtwagens plus de normale stroom die door huizen en bedrijven wordt verbruikt. Zij voeren een complexe berekening uit (de zogenaamde DC-OPF) om de goedkoopste manier te bepalen om stroom op te wekken zonder de draden te overbelasten.

Hier komt de twist: de prijs van elektriciteit staat niet vast. Deze verandert op basis van waar en wanneer je het gebruikt. Dit wordt de Locational Marginal Price (LMP) genoemd. Als een buurt vol zit met vrachtwagens die tegelijkertijd opladen, worden de draden warm en schiet de prijs omhoog.

De grote dans: Het vinden van de balans

Het artikel vraagt zich af: Kunnen deze twee zijden een stabiel ritme vinden waarbij geen van beiden zijn strategie wil veranderen?

De auteurs bewezen dat, onder redelijke voorwaarden, het antwoord ja is: een dergelijke balans bestaat. Ze hebben niet alleen gegokt; ze gebruikten wiskunde om aan te tonen dat er een "vast punt" bestaat waar de laadgewoonten van de vrachtwagens overeenkomen met de prijzen van het net, en de prijzen van het net de behoeften van de vrachtwagens perfect weerspiegelen.

Om deze balans in een realistische scenario te vinden, simuleerden ze het hele eiland Oahu, Hawaï. Ze gebruikten een supersnel algoritme (Anderson's fixed-point acceleratie) om de puzzel op te lossen.

Wat de simulaties lieten zien

Toen ze de cijfers draaiden op het Hawaiiaanse netwerk, gebeurden er enkele interessante dingen:

1. Het effect van de spits: De vrachtwagens laaddenden niet zomaar wanneer ze wilden. Wanneer het net al onder druk stond (zoals in de late namiddag), schoten de elektriciteitsprijzen in bepaalde gebieden omhoog. De vrachtwagens, die slim zijn, vermeden die dure zones.
2. Locatie doet ertoe: In de simulaties varieerde de prijs van elektriciteit enorm over het eiland. Sommige gebieden (zoals de centraal-linker regio's met een hoge bevolkingsdichtheid) hadden veel hogere prijzen dan andere.
3. De feedbackloop: Het gedrag van de vrachtwagens veranderde daadwerkelijk de prijzen van het net. In de simulatie zorgde de aanwezigheid van 1.000 vrachtwagens voor een verandering in de elektriciteitsprijs van maximaal 0,6% tijdens piektijden. Het was geen enorme explosie, maar wel een merkbare verschuiving.
4. De kracht van de prijs: Omgekeerd veranderde de prijs het gedrag van de vrachtwagens. In één simulatie was de elektriciteitsprijs in een zone ver van het depot lager. Ondanks dat het een langere rit was, kozen de vrachtwagens ervoor om daar op te laden omdat het goedkoper was. Het prijskaartje was een sterkere magneet dan de afstand.

Wat dit betekent (en wat het niet betekent)

Het paper is voorzichtig met de bewering dat ze de wereldwijde energieproblemen hebben "opgelost". Ze geven expliciet aan dat hun resultaten voortkomen uit simulaties op een specifiek netwerk (Oahu) met specifieke aannames (zoals 1.000 vrachtwagens en een tijdstap van 15 minuten).

Ze sluiten ook de mogelijkheid uit dat we het opladen van vrachtwagens kunnen behandelen als een eenvoudige, voorspelbare belasting (zoals het aanzetten van een lampje). Ze betogen dat omdat vrachtwagens mobiel zijn en hun laadbehoeften afhangen van hun bezorgroutes, je niet simpelweg kunt raden hoeveel stroom ze nodig zullen hebben. Je moet hun "spelende" gedrag modelleren.

De belangrijkste les is dat als we een toekomst willen met elektrische bezorgvrachtwagens, we niet alleen meer elektriciteitscentrales kunnen bouwen. We moeten een systeem ontwerpen waarin de vrachtwagens en het net met elkaar praten. Door slimme prijsstelling en beloningen te gebruiken, kunnen we de vrachtwagens sturen om te laden wanneer en waar dat het goedkoopst is voor iedereen, waardoor de lichten aan blijven en de pakketjes bezorgd worden zonder de kosten uit de hand te laten lopen.

Kortom: de vrachtwagens spelen een spel, het net bepaalt de regels, en wanneer ze samen spelen, loopt het hele systeem soepeler. Maar onthoud: dit is een kaart van een potentiële toekomst, getekend vanuit een computersimulatie, en geen garantie voor wat er morgen zal gebeuren.