Điều hòa không khí thực sự có thể hỗ trợ lưới điện. Đây là cách

Khi mùa hè đến, mọi người đang bật điều hòa không khí ở hầu hết Hoa Kỳ nhưng nếu bạn giống tôi, bạn luôn cảm thấy có chút tội lỗi về điều đó. Các thế hệ trong quá khứ được quản lý mà không có điều hòa không khí – Tôi có thực sự cần nó không? Và làm thế nào xấu là sử dụng tất cả các điện này để làm mát trong một thế giới ấm áp?

Nếu tôi tắt máy điều hòa, tôi sẽ quá nóng. Nhưng nếu mọi người bật máy điều hòa không khí của họ cùng một lúc, tăng đột biến nhu cầu điện, có thể buộc các nhà khai thác lưới điện kích hoạt một số nhà máy điện đắt nhất và bẩn nhất. Đôi khi những chiếc gai đó có thể yêu cầu quá nhiều lưới và dẫn đến màu nâu hoặc mất điện.

Nghiên cứu gần đây tôi đã xuất bản với một nhóm các học giả khiến tôi cảm thấy tốt hơn một chút. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng có thể phối hợp hoạt động của một số lượng lớn các đơn vị điều hòa không khí tại nhà, cân bằng cung và cầu trên lưới điện-và không khiến mọi người phải chịu nhiệt độ cao trong nhà.

Các nghiên cứu dọc theo các dòng này, sử dụng điều khiển từ xa của điều hòa không khí để hỗ trợ lưới điện, trong nhiều năm đã khám phá các khả năng lý thuyết như thế này. Tuy nhiên, một số phương pháp đã được chứng minh trong thực tế và không bao giờ cho một ứng dụng có giá trị cao như vậy và ở quy mô này. Hệ thống chúng tôi đã phát triển không chỉ chứng minh khả năng cân bằng lưới theo thời gian trong số giây, mà còn chứng minh rằng có thể làm như vậy mà không ảnh hưởng đến sự thoải mái của người dân.

Các lợi ích bao gồm tăng độ tin cậy của lưới điện, giúp lưới điện dễ dàng chấp nhận năng lượng tái tạo hơn. Mục tiêu của chúng tôi là biến điều hòa không khí từ một thách thức cho lưới điện thành một tài sản, hỗ trợ sự thay đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng sạch hơn.

Thiết bị điều chỉnh

Nghiên cứu của tôi tập trung vào pin, tấm pin mặt trời và thiết bị điện – như xe điện, máy nước nóng, điều hòa và máy bơm nhiệt – có thể tự điều chỉnh để tiêu thụ một lượng năng lượng khác nhau vào những thời điểm khác nhau.

Ban đầu, lưới điện của Hoa Kỳ được xây dựng để vận chuyển điện từ các nhà máy điện lớn đến nhà và doanh nghiệp của khách hàng. Và ban đầu, các nhà máy điện là các hoạt động lớn, tập trung đã đốt than hoặc khí đốt tự nhiên, hoặc năng lượng thu hoạch từ các phản ứng hạt nhân. Các nhà máy này thường luôn có sẵn và có thể điều chỉnh lượng năng lượng mà chúng tạo ra để đáp ứng nhu cầu của khách hàng, vì vậy lưới điện sẽ được cân bằng giữa năng lượng đến từ các nhà sản xuất và được người tiêu dùng sử dụng.

Nhưng lưới đã thay đổi. Có nhiều nguồn năng lượng tái tạo hơn, từ đó năng lượng không phải lúc nào cũng có sẵn – như các tấm pin mặt trời vào ban đêm hoặc tuabin gió vào những ngày bình tĩnh. Và có các thiết bị và thiết bị tôi nghiên cứu. Các tùy chọn mới hơn này, được gọi là tài nguyên năng lượng phân tán, tạo ra hoặc lưu trữ năng lượng gần nơi người tiêu dùng cần – hoặc điều chỉnh lượng năng lượng họ sử dụng trong thời gian thực.

Tuy nhiên, một khía cạnh của lưới đã không thay đổi: mặc dù không có nhiều lưu trữ được tích hợp trong hệ thống. Vì vậy, mỗi khi bạn bật đèn, trong một khoảnh khắc, không có đủ điện để cung cấp mọi thứ muốn nó ngay lúc đó: Lưới cần một nhà sản xuất năng lượng để tạo ra một chút năng lượng hơn một chút. Và khi bạn tắt đèn, có một chút quá nhiều: một nhà sản xuất năng lượng cần phải tăng tốc.

Cách các nhà máy điện biết điều chỉnh năng lượng thời gian thực là cần thiết là theo dõi chặt chẽ tần số lưới. Mục tiêu là cung cấp điện ở tần số không đổi – 60 Hertz – mọi lúc. Nếu cần nhiều năng lượng hơn là được sản xuất, tần số giảm và một nhà máy điện giúp tăng sản lượng. Nếu có quá nhiều năng lượng được sản xuất, tần số tăng và một nhà máy điện làm chậm sản xuất một chút. Những hành động này, một quy trình gọi là Quy định tần số, xảy ra trong vài giây để giữ cho lưới cân bằng.

Tính linh hoạt đầu ra này, chủ yếu từ các nhà máy điện, là chìa khóa để giữ đèn cho mọi người.

Tìm các tùy chọn mới

Tôi quan tâm đến cách các tài nguyên năng lượng phân tán có thể cải thiện tính linh hoạt trong lưới điện. Họ có thể giải phóng nhiều năng lượng hơn, hoặc tiêu thụ ít hơn, để đáp ứng với cung hoặc cầu thay đổi và giúp cân bằng lưới, đảm bảo tần số vẫn ở gần 60 hertz.

Một số người sợ rằng làm như vậy có thể xâm lấn, cho ai đó bên ngoài nhà bạn có khả năng kiểm soát pin hoặc điều hòa không khí của bạn. Do đó, chúng tôi muốn xem liệu chúng tôi có thể giúp cân bằng lưới với quy định tần số bằng cách sử dụng các đơn vị điều hòa không khí tại nhà thay vì các nhà máy điện-mà không ảnh hưởng đến cách cư dân sử dụng thiết bị của họ hoặc mức độ thoải mái của họ trong nhà.

Từ năm 2019 đến năm 2023, nhóm của tôi tại Đại học Michigan đã thử cách tiếp cận này, phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Pecan Street Inc., Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và Đại học California, Berkeley, với sự tài trợ của Cơ quan Dự án Nghiên cứu Năng lượng Năng lượng Năng lượng Hoa Kỳ.

Chúng tôi đã tuyển dụng 100 chủ nhà ở Austin, Texas, để làm một bài kiểm tra trong thế giới thực về hệ thống của chúng tôi. Tất cả các ngôi nhà đều có các hệ thống làm mát không khí bắt buộc cả nhà, chúng tôi kết nối với các bảng điều khiển tùy chỉnh và cảm biến mà chủ sở hữu cho phép chúng tôi cài đặt trong nhà của họ. Thiết bị này cho phép chúng tôi gửi hướng dẫn đến các đơn vị điều hòa không khí dựa trên tần suất của lưới.

Trước khi tôi giải thích cách hệ thống hoạt động, trước tiên tôi cần giải thích cách thức hoạt động của bộ điều chỉnh nhiệt. Khi mọi người đặt bộ điều chỉnh nhiệt, họ chọn nhiệt độ và bật và tắt nhiệt độ và tắt máy nén điều hòa không khí để duy trì nhiệt độ không khí trong một phạm vi nhỏ xung quanh điểm đặt đó. Nếu nhiệt độ được đặt ở 68 độ, bộ điều nhiệt sẽ bật AC khi nhiệt độ, giả sử, 70 và tắt nó khi nó được làm mát đến, nói, 66.

Cứ sau vài giây, hệ thống của chúng tôi thay đổi một chút thời gian chuyển đổi máy nén điều hòa không khí cho một số trong 100 máy điều hòa không khí, khiến mức tiêu thụ năng lượng tổng hợp của các đơn vị thay đổi. Theo cách này, nhóm nhỏ các máy điều hòa không khí gia đình của chúng tôi đã phản ứng với việc thay đổi cách thay đổi cách thức của một nhà máy điện – sử dụng ít nhiều năng lượng để cân bằng lưới và giữ tần số gần 60 Hertz.

Hơn nữa, hệ thống của chúng tôi được thiết kế để giữ nhiệt độ gia đình trong cùng phạm vi nhiệt độ nhỏ xung quanh điểm đặt.

Kiểm tra phương pháp

Chúng tôi đã chạy hệ thống của chúng tôi trong bốn thử nghiệm, mỗi lần kéo dài một giờ. Chúng tôi đã tìm thấy hai kết quả đáng khích lệ.

Đầu tiên, các máy điều hòa không khí có thể cung cấp quy định tần số ít nhất là chính xác như một nhà máy điện truyền thống. Do đó, chúng tôi đã chỉ ra rằng điều hòa không khí có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng tính linh hoạt của lưới. Nhưng có lẽ quan trọng hơn – ít nhất là về việc khuyến khích mọi người tham gia vào các loại hệ thống này – chúng tôi thấy rằng chúng tôi có thể làm như vậy mà không ảnh hưởng đến sự thoải mái của mọi người trong nhà của họ.

Chúng tôi thấy rằng nhiệt độ gia đình không lệch hơn 1,6 Fahrenheit so với điểm đặt của chúng. Chủ nhà được phép ghi đè các điều khiển nếu họ không thoải mái, nhưng hầu hết thì không. Đối với hầu hết các bài kiểm tra, chúng tôi đã nhận được các yêu cầu ghi đè bằng không. Trong trường hợp xấu nhất, chúng tôi đã nhận được các yêu cầu ghi đè từ hai trong số 100 ngôi nhà trong bài kiểm tra của chúng tôi.

Trong thực tế, loại công nghệ này có thể được thêm vào các bộ điều nhiệt kết nối Internet có bán trên thị trường. Để đổi lấy các khoản tín dụng trên hóa đơn năng lượng của họ, người dùng có thể chọn tham gia một dịch vụ do công ty điều chỉnh nhiệt, nhà cung cấp tiện ích của họ hoặc một số bên thứ ba khác.

Sau đó, mọi người có thể bật điều hòa không khí trong cái nóng mùa hè mà không có cảm giác tội lỗi đó, biết rằng họ đang giúp làm cho lưới điện trở nên đáng tin cậy hơn và có khả năng cung cấp các nguồn năng lượng tái tạo hơn – mà không phải hy sinh sự thoải mái của chính họ trong quá trình này.

Johanna Mathieu, Phó Giáo sư Kỹ thuật Điện & Khoa học Máy tính, Đại học Michigan. Bài viết này được tái bản từ cuộc trò chuyện theo giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.