Toen orkaan Maria in 2017 Puerto Rico teisterde, brak de wind door bomen en vernietigde huizen, terwijl hevige regenval straten veranderde in rivieren. Maar nadat de storm voorbij was, bleef de menselijke tol groeien terwijl bewoners maandenlang zonder elektriciteit worstelden. Vijf jaar later blijven stroomstoringen lang en frequent.

Om meer betaalbare, betrouwbare en duurzame elektriciteit te leveren aan achtergestelde gemeenschappen zoals deze, werken wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy samen met lokale organisaties, non-profitorganisaties en universiteiten om veerkracht op te bouwen in onafhankelijke microgrids die worden aangedreven door hernieuwbare energie. ORNL ontwikkelt een technologie die groepen kleine microgrids als een cluster zal beheren, waardoor hun betrouwbaarheid wordt verbeterd, zelfs als ze beschadigd zijn.

Microgrids zijn kleine netwerken die over het algemeen hun eigen energievoorziening hebben van nabijgelegen hernieuwbare bronnen zoals wind en zon. Als batterijopslag wordt toegevoegd, kunnen microgrids worden geïsoleerd en onafhankelijk functioneren in "eilandmodus" wanneer het bredere nutsnetwerk uitvalt.

ORNL-ingenieurs Ben Ollis en Max Ferrari leiden een team om een ​​microgrid-orkestrator te ontwikkelen voor implementatie in de Puerto Ricaanse stad Adjuntas. Er wordt daar al een community-microgrid-project geïnstalleerd, via een partnerschap tussen de lokale non-profit Casa Pueblo en de Honnold Foundation.

Honnold, dat zonne-energieprojecten financiert om de wereldwijde energiearmoede te verminderen, investeert 1,7 miljoen dollar om twee microgrids met zonne- en batterijopslag te creëren, zei Cynthia Arellano, projectcoördinator van Honnold. De zonnepanelen zijn vorig jaar geplaatst en worden dit jaar aangesloten op de resterende infrastructuur.

Dat is waar ORNL tussenkomt:Een nieuwe orkestratietool creëren om een ​​cluster van microgrids te beheren, zodat ze elkaar rechtstreeks ondersteunen en met elkaar communiceren, waardoor ze veerkrachtiger worden tijdens langdurige stroomuitval. Als een microgrid bijvoorbeeld een deel van zijn zonne-opwekking verliest, kan de aangrenzende microgrid stroom exporteren naar zijn buur, waardoor de impact van de schade wordt geminimaliseerd.

"Ik ken nergens een microgrid-controller die kan communiceren en coördineren met een andere controller", zei Ollis. "We ontwerpen een architectuur voor multi-microgrid-besturingen, zodat een willekeurig aantal microgrids onafhankelijk kan werken, maar informatie kan delen met een orkestrator die voorspelt wanneer schakelen, routeren en verbinden moet plaatsvinden."

Ferrari zei dat de eerste simulaties aangeven dat de microgrids elkaar minstens een week kunnen laten draaien. Maar onder ideale omstandigheden zouden ze mogelijk voor onbepaalde tijd kunnen blijven werken.

Dat is niet alleen een kwestie van gemak. "Veel mensen stierven na de orkaan, en veel van de doden hielden verband met stroomstoringen", zegt Arturo Massol-Deyá, uitvoerend directeur van Casa Pueblo, dat eerlijke en duurzame ontwikkeling rond Adjuntas bevordert. Deze langdurige gemeenschapsorganisatie installeerde in 1999 een zonnepaneel in haar gebouw. ​​Na de orkaan Maria kon Casa Pueblo de opgewekte elektriciteit delen met bewoners die afhankelijk waren van medische thuisapparatuur zoals beademingsapparatuur.

"We noticed how many people got sick who were pre-diabetic, or had high blood pressure, or were exposed to unhealthy living conditions and food—preventable conditions," said Massol-Deyá. "Energy security being interrupted is about quality of life, and there were long-term consequences in the community." Grassroots support for solar power built steadily as a result.

Community-wide benefits

The Adjuntas microgrids include solar installations on the roofs of 13 businesses, whose owners agree to provide critical services like medicine, refrigeration and cell phone charging to residents during major power outages. In return, the businesses save money on electricity and avoid the use of expensive diesel generators during natural disasters, Ferrari said.

"ORNL deploying this kind of controller system is going to be a really powerful tool for the community," Arellano said. It's unusual for so many businesses and owners to be linked by a microgrid, she added, and the infrastructure will support adding even more.

On a recent trip to Adjuntas, ORNL researchers met with local business owners to better understand their electricity use patterns. For example, when Ferrari visited the bakery, he learned what times refrigerators must run for the dough to rise properly. He and Ollis sought to identify the most critical electricity loads so they can design a system that focuses scarce power where it's most needed.

"Hopefully it will help not only to manage the microgrids, but also to protect the critical components like the energy storage unit," said Massol-Deyá, who is also a professor at University of Puerto Rico Mayaguez, or UPRM.

The income produced by the community-owned microgrids will fund their maintenance and expansion, as well as installation of independent solar systems for the most disadvantaged Adjuntas residents, he said.

A sense of urgency

Fabio Andrade is a UPRM engineering professor and a visiting scientist at ORNL collaborating on the Adjuntas project. His students model strategies, tools and algorithms for sharing solar power among microgrid users. UPRM colleague Gerson Beauchamp guides students through analyzing the solar equipment and predicting how much energy it will produce. At current electricity prices, the businesses can collectively expect to save as much as $78,000 a year by buying solar energy from the microgrids, Beauchamp said.

Ferrari is incorporating information from UPRM colleagues into his simulations, which are being tested live with actual microgrid hardware at DOE's Grid Research Integration and Deployment Center, or GRID-C, at ORNL. The next step is running the configuration in the facility's brand-new networked testbed for microgrids. In another year, the orchestrator will be deployed in Adjuntas.

While the ORNL-derived technology could be a literal lifesaver in Puerto Rico, it also holds broader potential for enabling microgrids to play a key role in the global grid of the future. Intelligent microgrids that incorporate renewable energy are poised to advance grid flexibility and resiliency while supporting vital decarbonization efforts.

"The orchestrator includes a framework of algorithms that can be expanded and deployed to many microgrids at any site," Ollis said. "They could provide more reliable electricity to many rural communities at the grid edge. I want to see a future where we have hundreds of microgrids working together to protect critical infrastructure at local, regional and national levels." + Verder verkennen

Technology enhances solar option during outages