Er mikronet en nøgle til nettets modstandsdygtighed?

Det aldrende energinet bliver skubbet til bristepunktet. Alene strømafbrydelser fra ekstremt vejr koster alt fra 2 milliarder dollars til 77 milliarder dollars om året. Og nogle isolerede samfund er stadig afhængige af dieselgeneratorer til elektricitet, da elledninger ikke når dem. Netudvidelse er ikke en mulighed - i de fleste tilfælde giver økonomien ikke mening.

Hvor hovednettet kommer til kort, såsom i isolerede samfund, eller når lyset slukkes fra ekstremt vejr, er mikronet en løsning til mere modstandsdygtig strøm. Disse decentrale, selvforsynende energihubs kan køre uafhængigt eller tilsluttes det større net. Alligevel er en langvarig forhindring microgrid-design. At få den rigtige blanding af strømkilder indebærer komplekse afvejninger mellem risikotolerance, omkostninger og at blive grøn.

Ny forskning fra et hold ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) viser, at modstandsdygtige, hyperlokale mikronet giver økonomisk værdi, hvis de er designet med den rigtige blanding af strømkilder. I en række undersøgelser og en præsentation på European Wave and Tidal Energy Conference forudsagde holdet den rolle, som både store og små mikronet kan spille i drevet hen imod vedvarende og modstandsdygtig energi.

Microgrid-lektioner fra en lille hawaiiansk ø

Ansporet af et statsmandat kæmper den hawaiianske ø Moloka'i med, hvordan man skal gå over til 100 % vedvarende energi inden 2045. Uden adgang til et større net og med afhængighed af importeret diesel betaler indbyggerne næsten tre gange mere end de gennemsnitlige omkostninger i USA. af elektricitet. Mindre end en tredjedel af denne strøm kommer fra vedvarende energi, mens resten kommer fra brændstofdrevne generatorer.

Alligevel lover de ting, der gør Hawaii-øerne specielle - havbrisen, solen og bølgerne - alt sammen godt for en mikrogrid-testcase. Moloka'is mål om at afbryde den brændstofforbrændingsvane, er noget mange andre ø- eller landsamfund kæmper med.

"Microgrid-design er kompliceret. Mange fællesskaber er ikke sat op til at udvikle sådan noget," sagde Dhruv Bhatnagar, en PNNL-mekaniker, som var en del af PNNL-forskningsteamet med fokus på Moloka'i som en del af en større evaluering af marine energiressourcer.

Ligesom den reducerede risiko, der kommer fra en diversificeret investeringsportefølje, hjælper en række forskellige strømkilder med at reducere risikoen for, at et mikronet ikke er i stand til at dække energibehovet. Typisk omfatter mikronet sol og/eller vind, som oplader batterier, plus en dieselgenerator til backup.

Da Moloka'is mål var nul emissioner, forudsagde forskere, hvad der ville ske, hvis eksisterende dieselgeneratorer blev byttet ud med havenergi. Når den føjes til blandingen af ​​vind og sol, øger havenergi ikke kun modstandskraften, men den mindsker også afhængigheden af ​​brændstof.

For at opfylde nul-emissionsmålet fandt forskerholdet ud af, at brug af havenergi kan reducere behovet for at bygge sol og vind op til 50 % sammenlignet med ikke at inkludere havenergi i porteføljen, plus mindre batterilagring er nødvendig. Det er gode nyheder for lokalsamfund, da batterier er dyre. Mindre vægt på solenergi betyder også et reduceret arealanvendelsesfodaftryk. Og plads er en stor ting på en lille ø.

Elastiske mikronet til at vende tilbage hurtigere, længere

Da orkanen Sandy bragede ind på den østlige kyst i 2012, var skaden så betydelig, at dele af New York og New Jersey var uden strøm i flere måneder efter stormen. Alligevel holdt et mikronet ved Princeton University i New Jersey lyset tændt for nødhjælpsarbejdere og på nøglefaciliteter.

Der er stigende interesse for at designe mikronet til at drive ting som hospitaler, krisecentre eller politistationer i nødsituationer. Alligevel har microgrid-design en tendens til at fokusere på at minimere omkostningerne i stedet for at forbedre modstandsdygtigheden, hvilket betyder, at det hurtigt kommer tilbage, når strømmen går. Men den billigste løsning er ikke altid den bedste.

"Det er svært at sætte et prismærke på modstandsdygtighed," sagde Sarah Newman, en PNNL-dataforsker, der ledede en undersøgelse, der evaluerede mikronetdesign for amerikanske hærstillinger, som skal være selvforsynende i længere varighed. Et hospital vil f.eks. lægge større vægt på pålidelig, modstandsdygtig energi under katastrofer i modsætning til en husejer, der måske er i stand til at gå et par timer uden strøm.

Solar mikronet er typisk drevet af solenergi parret med batterier, med brændstofdrevne generatorer til pålidelig backup. Generatorer er afgørende for at bygge bro over huller, når batterierne ikke er fuldt opladede, såsom overskyede dage, eller når energibehovet er stort, og overskydende ikke kan spares.

Newman og hendes team forudsagde alt fra optimale generatorstørrelser og hvor meget brændstof de skulle opbevare til energiforbrug i forskellige typer bygninger og endda solmønstre og vejr i forskellige stater.

De fandt ud af, at generatorerne i nogle tilfælde ikke er store nok til, at mikronettet er modstandsdygtigt under en række forskellige udfaldssituationer. Derudover har generatorerne brug for op til 30 % mere brændstof end tidligere forudsagt, hvis der ikke tages højde for ekstremt vejr under design. Hvis der ikke er planlagt det ekstra brændstof, vil mikronettet ikke være i stand til at opfylde energibehovet.

"At stoppe efter halvanden uge er måske ikke en mulighed, når et mikronet er backup for kritiske faciliteter," sagde Newman. "Dette understreger, hvor vigtigt det faktisk er at designe mikronet omkring elasticitet."

Microgrid-modellering

Modelleringsarbejdet, der udføres af PNNL, kan hjælpe beslutningstagere med at afveje afvejninger og i sidste ende designe mikronet, der er mere tilbøjelige til at holde lysene tændt under en nødsituation eller strømforsyningsområder uden adgang til et hovednet. Med klimaændringsrelateret ekstremt vejr, der forventes at stige, vil design af modstandsdygtige mikronet sandsynligvis fortsat være relevant i fremtiden.

Modelleringsarbejdet blev udført ved hjælp af PNNLs Microgrid Component Optimizations for Resilience platform og blev finansieret af Water Power Technologies Office, U.S. Army Reserve og Army Office of Energy Initiatives.