Uncertainty-Aware Transactive Energy Management of Renewable Interconnected Microgrids with Flexible Cryptocurrency Mining Loads

Het moderne elektriciteitsnet staat voor een fundamentele verschuiving. Decennialang stroomde elektriciteit in één richting: van enorme, stabiele fossiele centrales naar huizen en fabrieken. Vandaag de dag wordt die stroom tweerichtingsverkeer en onvoorspelbaar. Kleine gemeenschappen wekken hun eigen elektriciteit op met behulp van wind- en zonnepanelen, wat schoon is maar grillig; de zon schijnt niet altijd en de wind waait niet altijd. Om het licht aan te houden zonder meer brandstof te verbranden, moeten deze lokale energienetwerken, bekend als microgrids, leren om vraag en aanbod in realtime in evenwicht te houden. Ze moeten overtollige energie opslaan wanneer de productie hoog is en manieren vinden om die te gebruiken wanneer de productie daalt. Dit vereist niet alleen betere batterijen, maar ook slimmere manieren om het elektriciteitsverbruik zelf te beheren.

Maak kennis met de cryptocurrency-miner. Dit zijn gespecialiseerde computers die zijn ontworpen om complexe wiskundige puzzels op te lossen om digitale transacties te valideren, een proces dat enorme hoeveelheden elektriciteit verbruikt. Jarenlang werden deze machines beschouwd als een last voor het net, een constante belasting die functioneerde ongeacht of de stroom goedkoop of duur was. Echter, onderzoekers zijn een ander potentieel in deze apparaten gaan zien. In tegenstelling tot een fabriek die continu moet draaien om een productielijn in beweging te houden, of een huis dat verwarming nodig heeft om comfortabel te blijven, kan een cryptocurrency-miningoperatie bijna onmiddellijk worden gepauzeerd of vertraagd zonder de apparatuur te beschadigen. De enige vereiste is winst. Als elektriciteit te duur is, stopt de miner; als het goedkoop is, draait hij. Dit unieke vermogen om aan en uit te gaan op basis van prijssignalen maakt de mining-last een zeldzaam en krachtig instrument voor het stabiliseren van een net dat wordt gevoed door hernieuwbare energie.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Teheran en de Shahid Beheshti Universiteit in Iran heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze flexibiliteit aan te wenden. Ze creëerden een computermodel dat een netwerk van onderling verbonden microgrids simuleert, elk met zijn eigen zonnepanelen, windturbines en batterijen. In hun simulatie huisvest een van deze microgrids een grote cryptocurrency-miningfaciliteit. De onderzoekers wilden zien wat er zou gebeuren als deze miningfaciliteit niet alleen een passieve consument was, maar een actieve deelnemer aan een lokale energiemarkt. In deze markt konden de microgrids elektriciteit met elkaar verhandelen, door stroom te kopen wanneer ze een tekort hadden en te verkopen wanneer ze een overschot hadden. Het doel was om te bepalen of de mining-last als een flexibele partner kon fungeren, waarbij het verbruik wordt aangepast om het hele systeem efficiënter en winstgevender te laten draaien, zelfs wanneer de toekomstige elektriciteitsprijs onzeker is.

De onderzoekers bouwden een geavanceerd planningsinstrument dat op twee niveaus werkt. Het eerste niveau fungeert als een marktregulator en stelt een eenvoudige maar moeilijke vraag: hoe sterk kan de elektriciteitsprijs fluctueren voordat het systeem geen geld meer verdient? Ze testten twee verschillende mentaliteiten voor deze regulator. De ene was risicomijdend, wat betekent dat er werd gepland voor de slechtst mogelijke prijsschommelingen om te garanderen dat het systeem nooit geld zou verliezen. De andere was risicozoekend, wat betekent dat er werd gepland om te profiteren van de best mogelijke prijsschommelingen om potentiële winsten te maximaliseren. Het tweede niveau van het model berekende vervolgens precies hoe de microgrids en de miningfaciliteit gerund moesten worden onder die specifieke prijsomstandigheden. Het besliste wanneer de batterijen opgeladen moesten worden, wanneer er stroom aan buren verkocht moest worden en, cruciaal, wanneer de miningcomputers gedraaid moesten worden.

De resultaten van deze simulaties waren onthullend. Wanneer de cryptocurrency-miningfaciliteit de ruimte kreeg om flexibel te zijn en het energieverbruik aan te passen aan de beschikbaarheid van wind- en zonne-energie, werd het hele systeem winstgevender. In het beste scenario verhoogde de integratie van deze flexibele last de totale winst van de onderling verbonden microgrids met 2,4 procent vergeleken met een systeem waar de miner op een vast, onveranderlijk tempo draaide. Belangrijker nog, deze flexibiliteit maakte het systeem veerkrachtiger. De onderzoekers ontdekten dat het systeem veel grotere schommelingen in elektriciteitsprijzen kon weerstaan zonder zijn financiële fundament te verliezen. De flexibele miner fungeerde als een schokdemper; wanneer de prijzen piekten, kon het de consumptie verminderen om geld te besparen, en wanneer de prijzen daalden, kon het de consumptie opschroeven om overtollige hernieuwbare energie op te zuigen die anders verspild zou worden.

De studie toonde ook aan dat deze flexibiliteit het meest waardevol was wanneer de miningfaciliteit deel uitmaakte van een handelsnetwerk. Als de miner in isolatie opereerde, was zijn vermogen om het systeem te helpen beperkt. Maar wanneer het met andere microgrids kon handelen in energie, vermenigvuldigden de voordelen zich. De miner kon goedkope elektriciteit kopen van een buur die een overschot aan zonne-energie had tijdens de dag, en vervolgens die energie terugverkopen of gebruiken voor mining wanneer het lokale net erom vroeg. Dit creëerde een cyclus waarbij de mining-last hielp om het hele netwerk in evenwicht te brengen, waardoor de noodzaak om dure stroom van het hoofdnet te kopen afnam en de hoeveelheid hernieuwbare energie die weggegooid moest worden, werd verminderd.

De onderzoekers merkten echter op dat de waarde van deze flexibiliteit sterk afhangt van de marktomstandigheden voor de cryptocurrency zelf. Als de prijs van de digitale valuta extreem hoog is, wordt de miningoperatie zo winstgevelijk dat deze de hele tijd op volle capaciteit wil draaien, waardoor er geen ruimte overblijft om het energieverbruik ten behoeve van het net aan te passen. Omgekeerd, als de prijs van de valuta te laag is, schakelt de miningoperatie volledig uit, en is er geen flexibiliteit aan te bieden. Het ideale punt, waar het systeem de meeste winst boekt, ligt bij gematigde cryptocurrency-prijzen. Onder deze omstandigheden is de miningoperatie winstgevend genoeg om te draaien, maar flexibel genoeg om te pauzeren of te vertragen wanneer de elektriciteitsmarkt daarom vraagt.

De onderzoekers onderzochten ook hoe het systeem zich gedroeg onder verschillende houdingen ten aanzien van risico. Wanneer de exploitanten voorzichtig waren en voor slechte prijsscenario's plantten, vertrouwde het systeem zwaarder op thermische opslag — in feite energie opslaan in de vorm van warmte — om stabiliteit te handhaven. Wanneer de exploitanten bereid waren risico's te nemen voor hogere beloningen, leunde het systeem meer op directe energiemarkten en de flexibiliteit van de mining-last zelf. In beide gevallen verbeterde de aanwezigheid van de flexibele miner de uitkomst, wat bewijst dat het vermogen om de vraag te verschuiven een krachtig bezit is.

Dit werk suggereert een nieuwe manier om naar de relatie tussen digitale economieën en fysieke energiesystemen te kijken. In plaats van het enorme energieverbruik van cryptocurrency-mining te zien als een probleem dat opgelost moet worden, kan het worden gezien als een hulpbron die beheerd moet worden. Door deze digitale lasten als flexibele partners in een lokale energiemarkt te behandelen, kunnen gemeenschappen beter gebruik maken van hun hernieuwbare energie, verspilling verminderen en hun financiële rendementen verbeteren. De studie beweert niet dat dit een magische oplossing is voor alle energieproblemen, noch suggereert het dat er meer miningfaciliteiten gebouwd moeten worden. In plaats daarvan demonstreert het dat voor de miningfaciliteiten die al bestaan of gepland zijn, een intelligente integratie in het elektriciteitsnet hen kan transformeren van een potentieel risico naar een stabiliserende kracht. In een wereld waarin de zon en de wind de primaire energiebronnen zijn, kan het vermogen om een last op een moment van een seconde aan of uit te zetten, net zo waardevol zijn als het vermogen om energie op te wekken zelf.