Amerika's meest kritieke stuk energie-infrastructuur - het netwerk - is kwetsbaarder dan ooit tevoren. De redenen zijn tweeledig:een verschuiving in de mix van energiebronnen beïnvloedt de stabiliteit van het net, in combinatie met een toename van natuurrampen. Wanneer een deel van het raster uitvalt, kan dit een rimpeleffect veroorzaken over hele regio's als dit niet snel wordt gecorrigeerd.

Dat is waar waterkracht een cruciale rol speelt, volgens een nieuwe studie onder leiding van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) die de bijdrage van waterkracht aan de stabiliteit van het elektriciteitsnet in de westelijke regio van de Verenigde Staten kwantificeerde. Wanneer andere energiebronnen uitvallen, kan waterkracht snel toenemen, tekorten compenseren en het net vrijwel onmiddellijk stabiliseren.

En tekorten komen steeds vaker voor:alleen al door extreem weer zijn de afgelopen vijf jaar verviervoudigd.

"Wat werkte voor het oude raster, zal in de toekomst misschien niet werken", zegt Abhishek Somani, een PNNL-wetenschapper die de multinationale laboratoriumstudie leidde. "Jarenlang hebben exploitanten waterkracht gebruikt voor de stabiliteit van het net, maar de omvang van de bijdrage van waterkracht buiten dat gebied was tot nu toe niet bekend."

Cruisecontrol voor een veerkrachtig raster

In 2003, op een hete augustusmiddag in Ohio, botste een overwoekerde boom tegen een hoogspanningslijn en veroorzaakte een uitschakeling, ook wel een storing genoemd. Er deden zich nog drie fouten voor toen andere lijnen de speling oppikten en vervolgens overbelast raakten. Al snel veroorzaakte deze regionale stroomstoring een cascade van stroomstoringen van Michigan tot New York, wat de grootste stroomstoring in de geschiedenis van de Verenigde Staten werd en 50 miljoen mensen in het ongewisse liet.

Maar in New York kwam waterkracht op gang en produceerde binnen zes uur na stroomuitval bijna de helft van de totale elektriciteit van de staat. De enorme omvang van twee van de grootste stuwdammen van New York, de Niagara en St. Lawrence-FDR, hielp de staat de stroomstoring te weerstaan ​​die andere typen energiecentrales off-line had geduwd.

"Als een grote elektriciteitscentrale uitvalt of een natuurbrand een transmissielijn verbrandt, verandert dit de werkfrequentie van het net en kan het een daling tot onder de typische 60 Hz veroorzaken", zei Somani. "Als dit niet binnen enkele seconden wordt gecorrigeerd, kan dit leiden tot wijdverbreide storingen."

Frequentierespons is ongeveer hetzelfde als het gebruik van de cruisecontrol van een auto terwijl u bergop rijdt. De motor draait om snelheid te behouden. Evenzo, wanneer een deel van het net onverwacht donker wordt, draaien andere energiecentrales op om het verloren vermogen aan te vullen en de frequentie op 60 Hz te houden. Dit gebeurt in seconden. We merken geen frequentiedalingen omdat de traagheid van roterende generatoren, industriële motoren of turbines de lichten aanhoudt terwijl het net weer op volle snelheid komt om aan de energievraag te voldoen.

Decennialang heeft de frequentierespons van conventionele energiebronnen, zoals kolen, gas en kerncentrales, gezorgd voor algehele stabiliteit. Maar dat is allemaal aan het veranderen.

In het streven naar decarbonisatie is een grote uitdaging met de hernieuwbare revolutie het handhaven van de stabiliteit van het net, aangezien wind en zonne-energie momenteel geen frequentierespons bijdragen. Hoewel de technologie bestaat, zijn er geen wettelijke of financiële prikkels voor zonne- of windenergie-exploitanten om de frequentierespons terug te leveren aan het net.

De rol van waterkracht in een veerkrachtig netwerk

In april 2018 brak in Angeles National Forest, Californië, een oude powerline-verbinding. De lijn viel op de toren, wat een storing en een stroomstoring veroorzaakte waardoor een zonne-installatie offline ging. Dit veroorzaakte een plotselinge daling van de frequentie van het hele net. Waterkracht in het hele Westen reageerde onmiddellijk om die frequentieverandering tegen te gaan en droeg 60 procent van de respons bij aan het stoppen van een potentiële vrije val van stroom.

"We wisten altijd dat waterkracht een antwoord bood, maar de mate waarin het dat deed was verrassend", zegt Somani wiens team naar evenementen zoals die in Angeles National Forest keek.

Met het oog op de Western Interconnection, de enorme energiedoorgang die het westen van de Verenigde Staten aandrijft, toonde het onderzoeksteam aan dat waterkracht al gepositioneerd is om het net te stabiliseren wanneer de stroom uitvalt. Met behulp van simulaties en historische gebeurtenissen ontdekten ze dat de bijdragen van waterkracht aan de frequentierespons varieerden van 30 tot 60 procent.

Hoewel waterkracht deze service biedt, zijn er momenteel geen mechanismen voor compensatie.

"Het is niet eenvoudig om een ​​prijskaartje te hangen aan de waarde van frequentierespons, maar in de toekomst zullen we dat waarschijnlijk moeten doen", zegt Somani.

Het simuleren van hittegolven, aardbevingen en meer

Om de rol van waterkracht bij een reeks extreme gebeurtenissen te analyseren, ontwikkelde het onderzoeksteam modellen om de rol die waterkracht zou kunnen spelen onder die scenario's te simuleren. Deze omvatten weersomstandigheden, zoals een hittegolf of koudegolf, evenals samengestelde gebeurtenissen, zoals droogtes.

Als er bijvoorbeeld een onverwachte uitval was van een vloot van aardgascentrales in de Western Interconnect, toonden simulatieresultaten aan dat waterkracht zou kunnen ingrijpen en 50 procent van de frequentierespons zou kunnen leveren, hoewel het ongeveer een kwart van het totale vermogen bijdraagt. Deze reactie is van cruciaal belang omdat een wijdverbreide uitval van aardgascentrales verstrekkende rimpeleffecten in het net zou hebben en mogelijk een veel ergere uitval zou kunnen veroorzaken.

Een andere simulatie toonde aan dat als twee eenheden van de kerncentrale van Palo Verde in Arizona offline zouden gaan en geen stroom meer zouden produceren, waterkracht meer frequentierespons zou kunnen bieden dan alle andere stroombronnen samen, ook al produceert het slechts ongeveer 30 procent van het vermogen in die regio.

"Het is algemeen bekend dat waterkracht schone stroom produceert. Wat niet zo bekend, gekwantificeerd of gewaardeerd was, is de omvang van zijn rol bij het waarborgen van de veerkracht van het elektriciteitsnet", zei Somani.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Somani en bestaande uit vijf nationale laboratoria, ontwikkelde een analysekader dat kan worden gebruikt als blauwdruk om de rol van waterkracht in toekomstige netscenario's te evalueren. In de toekomst zullen ze ook storingen kunnen modelleren die worden veroorzaakt door andere extreme gebeurtenissen, zoals aardbevingen en bosbranden.

Dit werk werd ondersteund door het Water Power Technologies Office van het Department of Energy als onderdeel van het HydroWIRES-initiatief, dat tot doel heeft de veranderende rol van waterkracht als onderdeel van een moderne netwerkinfrastructuur te verduidelijken en het potentieel voor het optimaliseren van netwerkactiviteiten te ontsluiten.

"Hydropower's Contributions to Grid Resilience", werd geleid door PNNL, samen met Argonne National Laboratory, Idaho National Laboratory, het National Renewable Energy Laboratory en Oak Ridge National Laboratory.