Zomerhittegolven in het hele land testten of het verouderende elektriciteitsnet van Amerika de vraag kan bijhouden - een probleem dat volgens wetenschappers zal worden verergerd door klimaatverandering, aangezien ernstige orkanen, bosbranden en andere weersomstandigheden vaker voorkomen, waardoor de opwekking en transmissie van elektriciteit wordt verstoord.

Om aan de groeiende elektriciteitsbehoeften van Amerikaanse consumenten te voldoen, is een grotere opwekkings- en transmissiecapaciteit, meer veerkracht en slimmer beheer nodig.

De DU Newsroom vroeg Amin Khodaei, directeur van KLab en hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Ritchie School of Engineering and Computer Science van de Universiteit van Denver, hoe nieuwe technologieën, slimme netwerken en actieve consumenten het netwerk kunnen voorbereiden op klimaatverandering.

Welke uitdagingen vormt de klimaatverandering voor ons huidige elektriciteitsnet?

Veiligheid, vrije tijd, werk en onderwijs is nu meer dan ooit sterk afhankelijk van een elektriciteitsnet dat ononderbroken elektriciteit kan leveren en leveren. Door klimaatverandering veroorzaakte extreme weersomstandigheden en natuurrampen verstoren het netwerk echter en stellen de werking ervan voor meerdere uitdagingen.

Het elektriciteitsnet is traditioneel ontworpen met twee doelen voor ogen:betrouwbaarheid en economie. Betrouwbaarheid vertegenwoordigt het vermogen van het net om de levering en levering van elektriciteit voort te zetten in het geval van een beperkte uitval van apparatuur, bijvoorbeeld als een of twee transmissielijnen buiten dienst zijn. De economische doelstelling van het net is het selecteren van de goedkoopste opwekkingsmix om elektriciteit te produceren, rekening houdend met de fysieke en technische beperkingen van het net en verschillende productie-eenheden. Elektriciteitsbedrijven zijn de afgelopen eeuw grotendeels succesvol geweest in het bereiken van deze twee doelstellingen. Door de toenemende frequentie en intensiteit van door klimaat veroorzaakte rampen moet echter rekening worden gehouden met een ander even belangrijk doel:veerkracht. Veerkracht wordt gedefinieerd als het vermogen van een elektriciteitsnet en zijn componenten om ontwrichtende gebeurtenissen te weerstaan, zich aan te passen en er snel van te herstellen. Het bereiken van veerkracht is duur en het toenemende aantal rampen maakt het alleen maar erger.

Hoe kan het huidige net worden aangepast of geüpgraded om veerkrachtige en betrouwbare elektriciteit te garanderen?

Er zijn drie factoren die de toekomstige netbehoeften en -uitdagingen bepalen. De eerste twee zijn klimaatverandering en het veranderende landschap van de energievoorziening waar ik het over had. De derde is rond consumenten. De manier waarop consumenten met elektriciteit omgaan, verandert. Er is een groeiende behoefte aan stroom van hogere kwaliteit voor digitale apparaten van consumenten. Consumenten installeren ook steeds meer lokale opwekking, waaronder zonnepanelen op het dak en energieopslagsystemen voor woningen, waardoor voor de eerste keer ooit een tweerichtingsstroom van elektriciteit ontstaat, van klanten naar het stroomopwaartse net. Het toenemende gebruik van elektrische voertuigen is een andere grote verandering, die de piekvraag van een residentiële consument mogelijk zou kunnen verdubbelen, waardoor netupgrades nodig zijn.

Het netwerk moet zijn capaciteiten op drie lagen van fysieke, cyber- en besluitvorming verbeteren om deze uitdagingen aan te gaan. De fysieke laag heeft nieuwe technologieën nodig, zoals realtime bewakingsapparatuur en microgrids om lokale intelligentie te bieden om gedistribueerde bronnen beter te beheren. De cyberlaag heeft bijgewerkte communicatie- en cyberbeveiligingsmaatregelen nodig om met het gedigitaliseerde netwerk om te gaan. En de besluitvormingslaag heeft een grondige herziening nodig om gebruik te kunnen maken van state-of-the-art technologieën, zoals kunstmatige intelligentie en geavanceerde computers.

Hoe moet het netwerk worden gewijzigd om nieuwe hernieuwbare en betrouwbare energiebronnen online te brengen?

Elektriciteitsproductie is verantwoordelijk voor 25% van de uitstoot van broeikasgassen, direct na de transportsector met 27%. Naast de uitgebreide negatieve maatschappelijke effecten, verergeren deze emissies de klimaatverandering die de werking van het net verder zou verstoren. Het is van vitaal belang om deze uitstoot te verminderen, iets dat moet worden gedaan door gebruik te maken van schone, hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie.

Hoewel deze bronnen schoon en hernieuwbaar zijn en steeds kosteneffectiever worden, vormen ze een aantal technische uitdagingen voor het net. De eerste uitdaging is de intermitterende en vluchtige opwekking, wat betekent dat ze niet altijd elektriciteit kunnen produceren en de elektriciteitsproductie binnen enkele seconden aanzienlijk kan fluctueren. Het net moet worden geüpgraded om dergelijke fluctuaties aan te kunnen door snelle-responsunits te installeren, voornamelijk op gas, of energieopslag, wat kostbaar is. De tweede uitdaging is het gebrek aan inertie. De traditionele thermische opwekkingseenheden vertrouwen op elektromechanische energieconversie via roterende elementen, wat een mechanische traagheid biedt die kan worden aangeboden om kleine belastingsvariaties te doorstaan. Dit is nodig om het net stabiel te houden. Wind- en zonne-energiebronnen bieden geen inertie en kunnen daarom de netstabiliteit niet ondersteunen. Recente ontwikkelingen op het gebied van vermogenselektronica, d.w.z. krachtige elektronica die wordt gebruikt om wind- en zonne-energie te verbinden met het elektriciteitsnet, bieden haalbare oplossingen voor deze uitdaging.

Moet het consumentengedrag veranderen met het netwerk?

Het consumentengedrag verandert in feite, waardoor consumenten van traditioneel passieve spelers in het net veranderen in actievere spelers die kunnen reageren op netomstandigheden. Als een storing in het net de elektriciteitslevering verstoort, schakelt de toekomstige consument automatisch over op zijn eigen opwekking om die storing lokaal op te lossen. Als er geen storing is, verkoopt de toekomstige consument elektriciteit terug aan het net en krijgt hij betaald voor zijn bijdrage aan de netlevering.

Een actieve verbruiker kan echter een veel vitalere rol spelen in het netbeheer. Veel van de technische uitdagingen van het netwerk, zoals de fluctuatie van hernieuwbare energiebronnen, die een verbeterde veerkracht en zelfs systeemherstel na rampen vereisen, kunnen worden aangepakt door actieve consumenten. Om het aanzienlijk te vereenvoudigen, denk eens aan wat Uber deed voor transport. Zoals Uber een haalbare en aanvullende optie voor transport bood, kunnen actieve consumenten meerdere duurzame diensten leveren voor een betrouwbaarder, veerkrachtiger, efficiënter en schoner elektriciteitsnet. + Verder verkennen

Video:Hoe het hebben van meer dan voldoende capaciteit voor hernieuwbare energie het net flexibeler kan maken