Het verouderende energienet wordt naar het breekpunt geduwd. Stroomuitval door extreem weer alleen al kost tussen de $ 2 miljard en $ 77 miljard per jaar. En sommige geïsoleerde gemeenschappen zijn nog steeds afhankelijk van dieselgeneratoren voor elektriciteit, omdat hoogspanningslijnen hen niet bereiken. Netuitbreiding is geen optie - in de meeste gevallen is de economie niet logisch.

Waar het hoofdnet tekortschiet, zoals in geïsoleerde gemeenschappen of wanneer het licht uitgaat bij extreem weer, zijn microgrids een oplossing voor meer veerkrachtige stroom. Deze decentrale, zelfvoorzienende energiehubs kunnen zelfstandig draaien of aansluiten op het grotere net. Maar een slepende hindernis is het microgrid-ontwerp. Om de juiste mix van stroombronnen te krijgen, moeten complexe afwegingen worden gemaakt tussen risicotolerantie, kosten en groen gaan.

Nieuw onderzoek van een team van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) toont aan dat veerkrachtige, hyperlokale microgrids economische waarde bieden, indien ontworpen met de juiste mix van stroombronnen. In een reeks onderzoeken en een presentatie op de European Wave and Tidal Energy Conference voorspelde het team de rol die zowel grote als kleine microgrids kunnen spelen in het streven naar hernieuwbare en veerkrachtige energie.

Microgridlessen van een klein Hawaïaans eiland

Aangespoord door een staatsmandaat worstelt het Hawaiiaanse eiland Moloka'i met de vraag hoe tegen 2045 over te stappen op 100% hernieuwbare energie. Zonder toegang tot een groter netwerk en afhankelijk van geïmporteerde diesel, betalen inwoners bijna drie keer meer dan de gemiddelde kosten van de VS van elektriciteit. Minder dan een derde van die stroom is afkomstig van hernieuwbare energiebronnen, terwijl de rest afkomstig is van generatoren die op brandstof werken.

Maar de dingen die de Hawaiiaanse eilanden speciaal maken - de zeebries, de zon en de golven - voorspellen allemaal veel goeds voor een microgrid-testcase. Het doel van Moloka'i om de gewoonte om brandstof te verbranden te stoppen, is iets waar veel andere eiland- of plattelandsgemeenschappen mee worstelen.

"Het ontwerpen van microgrids is ingewikkeld. Veel gemeenschappen zijn niet opgezet om zoiets te ontwikkelen", zegt Dhruv Bhatnagar, een werktuigbouwkundig ingenieur van PNNL die deel uitmaakte van het onderzoeksteam van PNNL dat zich richtte op Moloka'i als onderdeel van een grotere evaluatie van mariene energiebronnen.

Net als het verminderde risico dat voortkomt uit een gediversifieerde beleggingsportefeuille, helpt een verscheidenheid aan stroombronnen het risico te verminderen dat een microgrid niet in staat is om de energievraag te dekken. Doorgaans omvatten microgrids zonne- en/of windenergie, die batterijen opladen, plus een dieselgenerator voor back-up.

Aangezien het doel van Moloka'i nuluitstoot was, voorspelden onderzoekers wat er zou gebeuren als bestaande dieselgeneratoren zouden worden vervangen door mariene energie. Wanneer toegevoegd aan de mix van wind en zon, verhoogt mariene energie niet alleen de veerkracht, maar vermindert het ook de afhankelijkheid van brandstof.

Om het doel van nulemissie te bereiken, ontdekte het onderzoeksteam dat het gebruik van mariene energie de noodzaak om zonne- en windenergie te bouwen tot 50% kan verminderen in vergelijking met het niet opnemen van mariene energie in de portfolio, en dat er minder batterijopslag nodig is. Dat is goed nieuws voor gemeenschappen, aangezien batterijen duur zijn. Minder nadruk op zonne-energie betekent ook een verminderde voetafdruk van het landgebruik. En ruimte is een groot probleem op een klein eiland.

Veerkrachtige microgrids om sneller en langer te herstellen

Toen orkaan Sandy in 2012 de oostkust bereikte, was de schade zo groot dat delen van New York en New Jersey maandenlang zonder stroom zaten na de storm. Toch hield een microgrid aan de Princeton University in New Jersey de lichten aan voor hulpverleners en bij belangrijke faciliteiten.

Er is een groeiende interesse in het ontwerpen van microgrids om dingen zoals ziekenhuizen, opvangcentra of politiebureaus van stroom te voorzien tijdens noodsituaties. Toch is het ontwerp van microgrids meestal gericht op het minimaliseren van de kosten in plaats van het verbeteren van de veerkracht, wat betekent dat het snel herstelt wanneer de stroom uitvalt. Maar de goedkoopste oplossing is niet altijd de beste.

"Het is moeilijk om een ​​prijskaartje te hangen aan veerkracht", zegt Sarah Newman, een datawetenschapper van PNNL die een onderzoek leidde naar het ontwerp van microgrids voor posten van het Amerikaanse leger, die voor langere tijd zelfvoorzienend moeten zijn. Een ziekenhuis zal bijvoorbeeld meer waarde hechten aan betrouwbare, veerkrachtige energie tijdens rampen, in tegenstelling tot een huiseigenaar die misschien een paar uur zonder stroom kan.

Microgrids op zonne-energie worden meestal aangedreven door zonne-energie in combinatie met batterijen, met generatoren op brandstof voor betrouwbare back-up. Generatoren zijn van cruciaal belang bij het overbruggen van hiaten wanneer batterijen niet volledig zijn opgeladen, zoals op bewolkte dagen, of wanneer de vraag naar energie groot is en het teveel niet kan worden bespaard.

Newman en haar team voorspelden alles, van optimale generatorafmetingen en hoeveel brandstof ze zouden moeten opslaan tot energieverbruik in verschillende soorten gebouwen, en zelfs zonnepatronen en het weer in verschillende staten.

Ze ontdekten dat de generatoren in sommige gevallen niet groot genoeg zijn om het microgrid veerkrachtig te laten zijn tijdens verschillende uitvalsituaties. Bovendien hebben de generatoren tot 30% meer brandstof nodig dan eerder werd voorspeld als bij het ontwerp geen rekening wordt gehouden met extreem weer. Als die extra brandstof niet is gepland, kan het microgrid niet aan de energievraag voldoen.

"Stoppen na anderhalve week is misschien geen optie wanneer een microgrid de back-up is voor kritieke faciliteiten", zegt Newman. "Dit onderstreept hoe belangrijk het eigenlijk is om microgrids rond veerkracht te ontwerpen."

Microgrid-modellering

Het modelleringswerk dat door PNNL wordt gedaan, kan besluitvormers helpen om afwegingen te maken en uiteindelijk microgrids te ontwerpen die meer kans hebben om de lichten aan te houden tijdens een noodgeval of stroomgebieden zonder toegang tot een hoofdnet. Nu verwacht wordt dat extreme weersomstandigheden die verband houden met klimaatverandering zullen toenemen, zal het ontwerpen van veerkrachtige microgrids in de toekomst waarschijnlijk relevant blijven.

Het modelleringswerk werd uitgevoerd met behulp van het Microgrid Component Optimizations for Resilience-platform van PNNL en werd gefinancierd door het Water Power Technologies Office, de US Army Reserve en het Army Office of Energy Initiatives.