Flexibilitat d'energia elèctrica.

Quan la demanda d'energia supera l'oferta, el sistema elèctric col·lapsa. És evident que equilibrar l'oferta i la demanda és fonamental per a un  sistema elèctric  estable i funcional.

Llavors, es pot mantenir l'oferta i la demanda equilibrades amb l'augment de la generació distribuïda? Hi han diferents possibilitats. Una, és invertir de la mateixa manera que s'ha fet fins ara i construir una gran  infraestructura centralitzada. Això significaria instal·lar grans quantitats d'emmagatzematge d'energia, com ara grans bateries, invertir en centrals de bombeig hidroelèctriques reversibles, per emmagatzemar l'excés d'energia renovable que es genera quan no hi ha demanda, i interconnectar aquest emmagatzematge amb línies de transport d'alta tensió, de manera que l'oferta pugui satisfer la demanda. De fet, la Xina és líder en aquesta aposta, però certament,  és molt car i requereix d'una aposta política.

Hi ha una millor manera de fer i aquesta, passa per en comptes de fer créixer desmesuradament la infraestructura de la xarxa elèctrica, es podria coordinar la demanda en temps real per adaptar-se a l'oferta, que és cada cop més variable. L'analogia amb les xarxes de telecomunicacions fonamentada en la paquetització i la aleatorietat, fa possible  crear un sistema que podria coordinar l'energia distribuïda. Aquests conceptes, permeten que milions d'usuaris i milers de milions de dispositius es connectin a Internet sense cap programació ni control centralitzat.

La mateixa idea bàsica,  podria funcionar a la xarxa elèctrica. Utilitzant connectivitat de baix ample de banda i petits controladors que executin algorismes senzills que permetria utilitzar milions de dispositius elèctrics per equilibrar el flux d'electricitat a la xarxa elèctrica.

La demanda d'electricitat prové de moltes càrregues elèctriques. Aquestes es poden agrupar en dues  categories: 

1.- Càrregues comercials i industrials

2.- Càrregues residencials.

De les dues, les càrregues residencials estan molt més disperses de manera què totes aquestes càrregues (televisor, neveres, rentavaixelles, climatització, etc. ) juntament amb els carregadors de vehicles elèctrics poden ser  càrregues flexibles. A diferència del que passa amb la il·luminació o un televisor, hi han altres càrregues com seria un escalfador elèctric d'aigua, un congeladors que podrien  flexibilitzar el seu consum elèctric. És a dir, col·lectivament, hi ha molta flexibilitat de les càrregues elèctriques residencials que es podrien utilitzar per ajudar a equilibrar la variabilitat de la generació. Per exemple, si en un país com Espanya cada llar disposés d'un sol dispositiu que pogués consumir energia de manera flexible, s'obtindrien valors de potencia, entesa com a capacitat disponible, d'alguns MW.

Això és el que significa la flexibilitat quan, per exemple, tracta d'operar un escalfador elèctric d'aigua. Un petit escalfador elèctric te una potencia d'uns 2,5 kW. En el transcurs d'un dia normal, l'aparell està encès aproximadament una desena part del temps. Per reduir la demanda durant els períodes punta, calen programes de resposta a la demanda que  permetin controlar els escalfadors d'aigua, els aparells d'aire condicionat, etc. 

Tanmateix, si l'objectiu és equilibrar la xarxa en temps real, ja que la generació renovable flueix de manera imprevisible en funció del vent i el sol, no n'hi ha prou amb operar dispositius segons un calendari fix basat en el comportament del passat. Cal un enfocament més sensible, que vagi més enllà de la simple reducció de la demanda punta i ofereixi altre avantatges que millorin la fiabilitat de la xarxa, com ara la capacitat de resposta als preus, mitigar la generació renovable i la regulació de la freqüència.

Si és possible coordinar molts dispositius distribuïts i flexibles a nivell de kW, cadascun d'ells amb les seves pròpies necessitats i requisits, seria possible oferir un recurs agregat de MW que respongui a la variabilitat? Això porta a comparar un altre domini: els sistemes de comunicació digital.

Els sistemes digitals representen la veu, un correu electrònic o un videoclip com una seqüència de bits. Quan aquestes dades s'envien a través d'un canal, es divideixen en paquets. A continuació, cada paquet s'encamina de manera independent a través de la xarxa fins a la destinació prevista. Un cop han arribat tots els paquets, les dades es reconstrueixen a la seva forma original.

Seguint amb l'analogia, moltes persones i molts dispositius utilitzen Internet cada dia. Els usuaris tenen els seus dispositius, les necessitats i patrons d'ús individuals —que es podrien considerar com a demanda—, mentre que la pròpia xarxa te dinàmiques associades amb el seu ample de banda —el seu subministrament, en altres paraules. No obstant això, la demanda i l'oferta a Internet es combinen en temps real sense cap programador centralitzat. Així mateix, milers de milions d'aparells elèctrics, cadascun amb la seva pròpia dinàmica, s'estan connectant a la xarxa elèctrica, el subministrament de la qual és, cada cop més variable.

Aquesta similitud, porta a una gestió d'energia en paquets per coordinar l'ús d'energia dels dispositius flexibles. 

Tornant a l'escalfador d'aigua elèctric, i sota un funcionament convencional, l'escalfador d'aigua està controlat pel seu termòstat. Aquest,  s'encén quan la temperatura de l'aigua arriba a un límit inferior i funciona contínuament (a 2,5 kW) durant 20 ó 30 minuts, fins que la temperatura de l'aigua arriba al límit superior. 

En base a la gestió d'energia per paquets, cada càrrega podria funcionar de manera independent i amb unes regles de control  senzilles. En lloc d'escalfar només quan la temperatura de l'aigua arriba al seu límit inferior, un escalfador d'aigua sol·licitaria periòdicament consumir un "paquet" d'energia, on un paquet es defineix com un consum d'energia durant un curt període de temps curt, per exemple, 5 minuts. La coordinació gracies a una plataforma basada al cloud, podria aprovar o denegar aquestes sol·licituds de paquets en funció d'un senyal que reflecteixi les condicions de la xarxa, com ara la disponibilitat d'energia renovable, el preu de l'electricitat, etc.

Per garantir una priorització en base a les necessitats d'energia cada dispositiu ajustaria el ritme de les seves sol·licituds en funció de les seves necessitats. Quan l'aigua és menys calenta, un escalfador d'aigua ho sol·licitaria més sovint. Quan l'aigua és més calenta, la demana seria menys sovint. Així, el sistema prioritza dinàmicament els dispositius d'una manera totalment descentralitzada, ja que les probabilitats de fer peticions dels paquets són proporcionals a la necessitat d'energia dels dispositius. 

Això permetria gestionar les sol·licituds de paquets entrants per donar forma activa a la càrrega total de molts dispositius "empaquetats", sense necessitat d'optimitzar de manera centralitzada el comportament de cada dispositiu. Des de la perspectiva del client, no ha canviat res de l'escalfador d'aigua, ja que aquestes peticions es produeixen sense afectar al confort del client.

Aquests mateixos conceptes es podrien aplicar a una àmplia gamma de dispositius que consumeixen energia. Per exemple, un carregador de vehicles elèctrics o un sistema de bateries residencial pot comparar l'estat de càrrega actual de la bateria amb el seu valor desitjat, equivalent a la seva necessitat d'energia, traduir-ho en una probabilitat de sol·licitud. D'aquesta manera, els dispositius d'energia flexibles es comuniquen utilitzant un llenguatge comú i senzill de les sol·licituds de "paquets" d'energia. 

Ramon Gallart