Hvorfor har vi brug for vandkraft til et modstandsdygtigt net

Amerikas mest kritiske del af energiinfrastrukturen – nettet – er mere sårbar end nogensinde før. Årsagerne er to-foldige:et skift i strømkildeblandingen påvirker netstabiliteten kombineret med en stigning i naturkatastrofer. Når en del af gitteret går ud, kan det forårsage en krusningseffekt på tværs af hele regioner, hvis det ikke hurtigt korrigeres.

Det er her vandkraft spiller en central rolle, ifølge en ny undersøgelse ledet af Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), der kvantificerede vandkraftens bidrag til netstabiliteten i USA's vestlige region. Når andre strømkilder går ud, kan vandkraft hurtigt øges, genvinde underskud og stabilisere nettet næsten øjeblikkeligt.

Og mangler bliver mere almindelige – udfald fra ekstremt vejr alene er firedoblet i de seneste fem år.

"Det, der fungerede for det gamle net, vil måske ikke fungere i fremtiden," sagde Abhishek Somani, en PNNL-forsker, der ledede den multinationale laboratorieundersøgelse. "I årevis har operatører brugt vandkraft til netstabilitet, men omfanget af vandkraftens bidrag har ikke været kendt ud over den sfære - indtil nu."

Cruising control for et elastisk gitter

I 2003, en varm august-eftermiddag i Ohio, stødte et forvokset træ ind mod en højspændingsledning og forårsagede en nedlukning, kendt som en fejl. Der opstod yderligere tre fejl, da andre liner fik slæk og derefter blev overbelastede. Snart udløste dette regionale afbrydelse en kaskade af strømsvigt fra Michigan til New York, hvilket blev det største strømafbrydelse i USAs historie og efterlod 50 millioner mennesker i mørket.

Alligevel startede vandkraften i New York og producerede næsten halvdelen af ​​statens samlede elektricitet inden for seks timer efter strømtab. Alene størrelsen af ​​to af New Yorks største dæmninger, Niagara og St. Lawrence-FDR, hjalp staten med at modstå udfaldschokket, som havde skubbet andre typer kraftværker off-line.

"Hvis et stort kraftværk gik ud, eller en naturbrand brændte en transmissionsledning, ændrer det nettets driftsfrekvens og kan forårsage et fald under de typiske 60 Hz," sagde Somani. "Hvis det ikke korrigeres inden for få sekunder, kan det føre til omfattende udfald."

Frekvensrespons er nogenlunde som at bruge en bils fartpilot, mens du kører op ad bakke. Motoren omdrejninger for at opretholde hastigheden. På samme måde, når en del af nettet uventet bliver mørkt, omdrejninger andre kraftværker for at genopfylde tabt strøm og opretholde frekvensen på 60 Hz. Dette sker på få sekunder. Vi bemærker ikke frekvensfald, fordi inerti fra roterende generatorer, industrimotorer eller turbiner holder lyset tændt, mens nettet ramper tilbage til fuld hastighed for at imødekomme energibehovet.

I årtier har frekvensrespons fra konventionelle energikilder, såsom kul, gas og atomkraftværker, givet overordnet stabilitet. Men alt det ændrer sig.

I drevet mod dekarbonisering er en stor udfordring med den vedvarende revolution at opretholde netstabiliteten, da vind og sol i øjeblikket ikke bidrager med frekvensrespons. Mens teknologien eksisterer, er der ingen regulatoriske eller økonomiske incitamenter for sol- eller vindenergioperatører til at bidrage med frekvensrespons tilbage til nettet.

Vandkrafts rolle i et robust net

I april 2018, i Angeles National Forest, Californien, gik en gammel elledningssplejsning i stykker. Linjen faldt ned på tårnet, hvilket forårsagede en fejl og et strømafbrydelse, der gjorde et solcelleanlæg off-line. Dette forårsagede et pludseligt fald i hele nettets frekvens. Vandkraft i hele Vesten reagerede øjeblikkeligt for at modvirke denne frekvensændring og bidrog med 60 procent af responsen til at stoppe et potentielt frit fald.

"Vi har altid vidst, at vandkraft gav et svar, men omfanget af det var overraskende," sagde Somani, hvis hold kiggede på begivenheder som den i Angeles National Forest.

Med et øje på Western Interconnection, den enorme energigennemgang, der driver det vestlige USA, demonstrerede forskerholdet, at vandkraft allerede er positioneret til at stabilisere nettet, når strømmen falder. Ved hjælp af simuleringer og historiske begivenheder fandt de ud af, at vandkraftens bidrag til frekvensrespons varierede alt fra 30 til 60 procent.

Selvom vandkraft leverer denne service, er der i øjeblikket ingen mekanismer til kompensation.

"Det er ikke let at sætte en pris på værdien af ​​frekvensrespons, men i fremtiden bliver vi sandsynligvis nødt til det," sagde Somani.

Simulering af hedebølger, jordskælv og mere

For at analysere vandkraftens rolle under en række ekstreme begivenheder udviklede forskerholdet modeller til at simulere den rolle, vandkraft kunne spille under disse scenarier. Disse omfattede vejrbegivenheder, såsom en hedebølge eller kulde, såvel som sammensatte begivenheder, såsom tørke.

For eksempel, hvis der var et uventet udfald af en flåde af naturgasanlæg i Western Interconnect, viste simuleringsresultater, at vandkraft kunne træde til og give 50 procent af frekvensresponsen – selvom den bidrager med omkring en fjerdedel af den samlede effekt. Denne reaktion er kritisk, da et udbredt udfald af naturgasanlæg ville have vidtrækkende ringvirkninger i nettet og potentielt kunne udløse et langt værre udfald.

En anden simulering viste, at hvis to enheder af Arizonas atomkraftværk i Palo Verde gik offline og holdt op med at producere strøm, kunne vandkraft give mere frekvensrespons end alle andre strømkilder tilsammen - selvom det kun producerer omkring 30 procent af strømmen i den region.

"Det er velkendt, at vandkraft producerer ren strøm. Hvad der ikke var så velkendt, kvantificeret eller værdsat, er omfanget af dens rolle i at sikre netresiliens," sagde Somani.

Forskerholdet, ledet af Somani og bestående af fem nationale laboratorier, udviklede en analyseramme, som kan bruges som en plan til at evaluere vandkraftens rolle under fremtidige netscenarier. I fremtiden vil de også være i stand til at modellere udfald forårsaget af andre ekstreme begivenheder, såsom jordskælv og naturbrande.

Dette arbejde blev støttet af Department of Energy's Water Power Technologies Office som en del af HydroWIRES-initiativet, som har til formål at tydeliggøre vandkraftens udviklende rolle som en del af en moderne netinfrastruktur og frigøre dens potentiale for at optimere netdriften.

"Hydropower's bidrag til netresiliens," blev ledet af PNNL sammen med Argonne National Laboratory, Idaho National Laboratory, National Renewable Energy Laboratory og Oak Ridge National Laboratory.