Multi regional power system transmission storage collaborative planning based on distributed optimization framework

Het moderne elektriciteitsnet is niet langer een eenvoudige eenrichtingsweg waar elektriciteit gestaag van enkele grote centrales naar huizen en fabrieken stroomt. Het is een complex, tweerichtingsnetwerk geworden waarbij het weer de aanvoer dicteert. Windparken en zonnepanelen wekken energie op alleen wanneer de wind waait of de zon schijnt, vaak in afgelegen gebieden ver van de steden die de energie het hardst nodig hebben. Dit creëert een fundamentele mismatch: de energie is beschikbaar op één plaats op één moment, maar de vraag bestaat op een andere plaats op een ander moment. Om het licht aan te houden, moeten ingenieurs een dubbel puzzelstuk oplossen. Ze moeten nieuwe stroomlijnen bouwen om elektriciteit over grote afstanden te transporteren, en ze moeten enorme batterijen installeren om die energie voor later op te slaan. De uitdaging ligt in het uitzoeken hoeveel van elk zij moeten bouwen en waar ze moeten plaatsen, zonder geld te verspillen of het net kwetsbaar te maken.

Een team onderzoekers van de State Grid Shanxi Electric Power Company heeft dit puzzelstuk aangepakt door een nieuwe manier te ontwikkelen om te plannen voor de toekomst van deze onderling verbonden energiesystemen. In plaats van de bouw van nieuwe stroomlijnen en de installatie van energieopslag als afzonderlijke beslissingen te behandelen, creëerden zij een verenigd model dat beide gelijktijdig optimaliseert. Hun aanpak erkent dat een nieuwe stroomlijn en een grote batterij vaak dezelfde taak kunnen vervullen: ze stellen het systeem beide in staat om de onvoorspelbare schommelingen van hernieuwbare energie op te vangen. Door gebruik te maken van een geavanceerd wiskundig kader dat verschillende regio's in staat stelt om hun eigen planningsproblemen op te lossen terwijl ze synchroon blijven met hun buren, vonden de onderzoekers een manier om een netwerk te ontwerpen dat goedkoper, efficiënter en beter in staat is om schone energie te absorberen dan eerdere methoden.

De onderzoekers testten hun methode op een gesimuleerd vierregio-energiesysteem, een scenario dat de echte complexiteit van een groot nationaal elektriciteitsnet nabootst. In dit systeem zijn sommige regio's rijk aan wind- en zonne-energie maar hebben ze minder mensen, terwijl andere regio's zware industrie en een hoge vraag naar elektriciteit hebben maar minder hernieuwbare opwekking. Het team vergeleken hun nieuwe gecoördineerde aanpak met drie oudere strategieën: één die alleen nieuwe stroomlijnen bouwde, één die alleen batterijen installeerde, en één waarbij elke regio zijn eigen toekomst plande zonder met de anderen te communiceren. De resultaten waren duidelijk. Het gecoördineerde plan, dat besliste over zowel transmissielijnen als opslagbatterijen op hetzelfde moment, leverde het beste resultaat op. Het verminderde de totale jaarlijkige kosten van het systeem met tientallen miljoenen dollars vergeleken met de andere strategieën. Specifiek bespaarde het nieuwe plan 36,5 miljoen yuan per jaar vergeleken met een plan dat alleen lijnen bouwde, 44,7 miljoen yuan vergeleken met een plan dat alleen batterijen kocht, en een enorme 82,8 miljoen yuan vergeleken met de ongecoördineerde aanpak waarbij regio's alleen handelden.

Naast het enkel besparen van geld, verbeterde het gecoördineerde plan ook aanzienlijk het vermogen van het systeem om hernieuwbare energie te gebruiken. In de simulaties liet de nieuwe methode het net 4,6 procentpunt meer wind- en zonnekracht accepteren en gebruiken dan de "alleen lijnen"-strategie en 3,55 procentpunt meer dan de "alleen batterijen"-strategie. Dit is een cruciaal onderscheid, omdat het verspillen van hernieuwbare energie, bekend als curtailment (beperking van opwekking), een grote economische en milieutechnische verliezen met zich meebrengt. De onderzoekers ontdekten dat door batterijen op de juiste locaties te plaatsen en precies genoeg nieuwe stroomlijnen te bouwen om ze te verbinden, het systeem de dagelijkse fluctuaties van de wind en de zon kon afvlakken. De batterijen zouden opladen wanneer er te veel vermogen was en ontladen wanneer de vraag hoog was, terwijl de stroomlijnen overtollige energie van een winderige regio naar een zonnige regio konden verplaatsen, of van een regio met een lage vraag naar een regio met een hoge vraag. Deze combinatie van het verplaatsen van energie over ruimte en het opslaan van energie over tijd creëerde een veel stabieler en flexibeler net.

De technische innovatie achter dit succes lag niet alleen in de planning zelf, maar ook in de manier waarop de onderzoekers het enorme wiskundige probleem oplosten dat vereist was om de beste oplossing te vinden. Het plannen van een elektriciteitsnet voor een heel land omvat miljoenen variabelen: elke mogelijke locatie voor een nieuwe lijn, elke potentiële locatie voor een batterij, elk uur van de dag en elk mogelijk weerscenario. Het oplossen van dit alles tegelijkertijd in één enkel computerprogramma is extreem moeilijk en traag, en vereist vaak dat elke regio zijn privédata deelt met een centrale autoriteit, wat niet altijd praktisch is. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd gedistribueerde optimalisatie. Stel je een groep mensen voor die probeert een enorme legpuzzel op te lossen. In plaats van één persoon die probeert alle stukjes tegelijk te passen, splitsen ze de puzzel op in secties. Iedereen werkt aan zijn eigen sectie, maar ze controleren voortdurend de randen waar hun sectie die van de buurman ontmoet om te controleren of de stukjes wel passen.

In dit onderzoek loste elke regio van het energiesysteem zijn eigen planningsprobleem onafhankelijk op, waarbij lokaal werd beslist waar lijnen en batterijen gebouwd moesten worden. Ze werkten echter niet in isolatie. Ze wisselden alleen informatie uit over de stroomlijnen die hen met hun buren verbonden, waardoor zij ervoor zorgden dat de totale hoeveelheid stroom die in- en uitstroomde perfect in evenwicht was. Deze methode stelde het team in staat om de berekeningen veel sneller uit te voeren. Terwijl een traditioneel, gecentraliseerd computermodel meer dan 82 seconden nodig had om een oplossing te vinden, voltooide de nieuwe gedistribueerde methode, waarbij de regionale berekeningen parallel werden uitgevoerd, de taak in ongeveer 21,5 seconden. Deze versnelling is aanzienlijk, omdat het betekent dat netbeheerders veel meer simulaties kunnen draaien om verschillende scenario's te testen, wat leidt tot robuustere en betrouwbaardere beslissingen. De methode respecteerde ook de privacy van elke regio, aangezien zij hun interne kosten of gedetailleerde netwerkgegevens niet aan een centrale autoriteit hoefden te onthullen, maar alleen de noodzakelijke grensinformatie om het systeem in balans te houden.

De studie bevestigde dat vertrouwen op slechts één hulpmiddel onvoldoende is voor de toekomst van energie. Een plan dat zich uitsluitend richt op het bouwen van meer stroomlijnen, heeft de neiging om te veel te bouwen, waardoor er te veel wordt uitgegeven aan infrastructuur die mogelijk niet volledig benut zal worden. Omgekeerd kan een plan dat alleen op batterijen vertrouwt te duur worden omdat het probeert elke beetje overtollige energie lokaal op te slaan, waarbij de kans gemist wordt om die energie naar de plek te verplaatsen waar deze nodig is. De onafhankelijke aanpak, waarbij regio's niet coördineren, leidt tot de slechtste resultaten, met hoge kosten en verspilde energie omdat regio's redundante activa bouwen of elkaar niet ondersteunen wanneer dat nodig is. De bevindingen van de onderzoekers suggerie-ren dat de meest efficiënte weg vooruit een gebalanceerde mix is. In hun gesimuleerde vierregio-systeem omvatte het optimale plan het uitbreiden van vijf specifieke transmissiecorridors met hoeveelheden variërend van 130 tot 260 megawatt, terwijl er tegelijkertijd een totaal van 800 megawatt aan vermogenscapaciteit en 3.200 megawattuur aan energieopslag over de vier gebieden werd geïnstalleerd.

De specifieke configuratie van deze middelen onthulde een duidelijk patroon. De regio's met de hoogste hernieuwbare energieopwekking, die vaak het risico liepen om die kracht te verspillen, waren de regio's die het meeste baat hadden bij de toevoeging van lokale opslag. De batterijen fungeerden als een buffer, die de overtollige energie opnamen tijdens piekproductietijden en deze vrijgaven tijdens de avondpiek wanneer de zon onder was. Ondertussen fungeerden de nieuwe stroomlijnen als een veiligheidsklep, waardoor regio's hun overschot naar buren konden exporteren die een tekort ervoeren. Deze coördinatie betekende dat het systeem niet zoveel enorme lijnen nodig had als het "alleen lijnen"-plan, noch zo veel batterijen als het "alleen batterijen"-plan. Het resultaat was een systeem waar de totale kosten werden geminimaliseerd en de betrouwbaarheid werd gemaximaliseerd.

De onderzoekers keken ook naar hoe het systeem zich op een typische dag gedroeg. Ze ontdekten dat de stroomstromen tussen regio's niet statisch waren; ze veranderden gedurende de dag van richting en grootte, afhankelijk van het weer en de vraag. In de ochtend kan een regio stroom importeren om aan de stijgende vraag te voldoen, terwijl diezelfde regio in de middag, naarmate de zonne-energie piekt, naar zijn buren kan overgaan om stroom te exporteren. De batterijen speelden een cruciale rol in deze dans, door op te laden wanneer het net vol zat met goedkope, hernieuwbare energie en te ontladen wanneer het net stroom nodig had. De laadstatus van deze batterijen, die aangeeft hoe vol ze zijn, werd zorgvuldig beheerd om binnen veilige grenzen te blijven, zodat ze klaar waren voor de volgende cyclus. Deze dynamische interactie tussen opslag en transmissielijnen stelde het net in staat om de variabiliteit van hernieuwbare energie met een niveau van vloeiendheid te hanteren dat geen van beide technologieën alleen zou kunnen bereiken.

De studie concludeert dat deze gecoördineerde aanpak niet slechts een theoretische oefening is, maar een praktische oplossing voor de uitdagingen waar moderne elektriciteitsnetten voor staan. Door een gedistribueerd optimalisatiekader te gebruiken, kunnen netbeheerders resultaten behalen die bijna net zo goed zijn als een perfect, gecentraliseerd plan, maar met de toegevoegde voordelen van snelheid, privacy en schaalbaarheid. De methode stelt verschillende regio's in staat om hun autonomie te behouden terwijl ze nog steeds samenwerken om een efficiënter en veerkrachtiger geheel te creëren. Naarmate de wereld beweegt naar een toekomst die gedomineerd wordt door wind- en zonne-energie, zal het vermogen om zowel de beweging van energie over de ruimte als de opslag ervan over de tijd te plannen essentieel zijn. Dit onderzoek biedt een duidelijke routekaart voor hoe dat te doen, en laat zien dat de sleutel tot een goedkoper, schoner en betrouwbaarder netwerk ligt in de intelligente coördinatie van de fysieke componenten. De bevindingen suggereren dat de toekomst van energieplanning niet gaat over de keuze tussen lijnen of batterijen, maar over het begrijpen van hoe ze samenwerken om de complexe puzzel van de integratie van hernieuwbare energie op te lossen.