"Super Grids" zur Rettung: Nutzung von Sonne und Wind gegen karibische Hurrikane

Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben ein Modell zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung in der Karibik während Hurrikans entwickelt, indem sie "Supernetze" erforschen. Diese miteinander verbundenen Netzsysteme sollen die Auswirkungen der geringeren Sonnenenergie bei Stürmen ausgleichen und die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit der Energieversorgung verbessern.

Wenn Wirbelstürme tropische Küsten bedrohen, könnten "Supernetze" zur Rettung kommen. Die karibischen Inseln verzichten auf den Import teurer fossiler Brennstoffe und nutzen die reichlich vorhandene Sonne und den Wind zur Stromerzeugung. Häufige Wirbelstürme können jedoch die Solarenergieerzeugung erheblich reduzieren. ORNL-Forscher entwickelten eine umfassende Modellierungsmethode, um den Rückgang der Stromerzeugung besser vorhersagen zu können, wenn Sturmwolken die Sonnenkollektoren überschatten. Das Team untersuchte Möglichkeiten, diese Energieverluste durch Supernetze auszugleichen, d. h. durch eine Reihe miteinander verbundener Netze, die den Stromfluss über Inselketten oder zwischen Kontinenten ermöglichen.

Der leitende Forscher Rodney Itiki betonte, dass diese Infrastrukturplanung für die Aufrechterhaltung eines gerechten Zugangs zu Elektrizität in den 12 Inselstaaten der Karibik und den US-Territorien wie Puerto Rico und den US-Jungferninseln entscheidend ist. Diese seit jeher unterversorgten Inselbewohner können nicht ohne weiteres vor den zahlreichen Hurrikanen evakuiert werden, die die Karibik jedes Jahr heimsuchen. Der Verlust von Solarenergie bei Wirbelstürmen wird auf Inseln wie Puerto Rico, das bis 2050 auf vollständig erneuerbare Energien umstellen will, wahrscheinlich immer wichtiger.

Itikis Modell kann verwendet werden, um die Auswirkungen von Hurrikanwolken auf jedes Stromsystem zu verstehen. In dieser Studie nutzten er und sein Team von Experten für Netzintegration, erneuerbare Energien und fortschrittliche Berechnungsmethoden seinen Algorithmus, um verschiedene Netzanschlusskonzepte zu untersuchen. Sie modellierten, wie sich jeder Ansatz auf die Verfügbarkeit von Strom auswirken würde, und analysierten, wie ein großer Hurrikan die Leistung bekannter Solaranlagen reduzieren würde, während er 10 mögliche Pfade über einen Zeitraum von 10 bis 14 Tagen durchlief.

"Dies ist einer der wichtigsten Beiträge der Forschung, denn wenn wir ein Stromsystem entwerfen, müssen wir alle möglichen Fälle berücksichtigen - vor allem das Worst-Case-Szenario", sagte Itiki, ein Postdoktorand in der ORNL-Gruppe Power Systems Resilience.

Die Forscher verwendeten Simulationen, um die Verfügbarkeit von Strom während eines Hurrikans zu verstehen, wenn die Stromnetze über Hochspannungskabel auf dem Meeresboden verbunden wären. Um herauszufinden, ob diese Supernetze den Energiefluss zwischen den Regionen ausgleichen würden, modellierte das Team vier verschiedene Kombinationen: ein eigenständiges US-Netz, ein eigenständiges karibisches Supernetz, das alle Inseln miteinander verbindet, ein Supernetz zwischen den USA und der Karibik sowie ein Supernetz, das die USA, die karibischen Inseln und Südamerika miteinander verbindet.

Die größte Konfiguration des Supernetzes umfasste 90 Photovoltaikanlagen innerhalb des Hurrikan-Korridors sowie Solarparks an Orten wie Kalifornien und Brasilien, die von diesen Hurrikanen nicht betroffen sind. Das Modell zeigte, dass einige Solaranlagen zwei Tage lang bis zu 88 % ihrer Stromerzeugungskapazität verlieren, wenn sie von Hurrikanwolken beschattet werden.

Die Forscher fanden heraus, dass das amerikanisch-karibische Supernetz die Zuverlässigkeit der Stromversorgung am stärksten erhöht. Das eigenständige karibische Supernetz erwies sich als am wenigsten hilfreich, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass sich die Zugbahnen der Hurrikane in der Regel an der Inselkette orientieren. Das zusätzliche südamerikanische Netz reduzierte die Stromschwankungen nicht wesentlich, da es auf dem Kontinent nur wenige Solaranlagen gibt. Es könnte jedoch als alternative Stromversorgung die Energiesicherheit gewährleisten, falls die Inseln untereinander oder mit dem US-Netz nicht mehr verbunden wären.

Itiki war schon als Student von der erfolgreichen Unterwasserverbindung zwischen den Stromnetzen des Vereinigten Königreichs und Deutschlands fasziniert. Er untersuchte die potenziellen Vorteile ähnlicher Verbindungen, bis eine Naturkatastrophe 2017 seinen geografischen Fokus einschränkte.

"Kurz nachdem der Hurrikan Maria Puerto Rico heimgesucht hatte, begann ich über eine Verbindung zwischen Puerto Rico und Florida nachzudenken", so Itiki. Maria sorgte dafür, dass einige Puertoricaner fast ein Jahr lang ohne Strom waren - der längste Stromausfall in der Geschichte der USA.

Itiki konzentrierte sich zunächst auf die Windenergie bei Hurrikans. Er untersuchte, wie ein amerikanisch-karibisches Supernetz die Stromausfälle reduzieren könnte, die durch die Beschädigung puertoricanischer Windturbinen durch Hurrikane entstehen. Nachdem die Turbinentechnologie verbessert wurde, untersuchte er, wie die Windenergie bei Hurrikanen auf die Karibik, die USA und Südamerika verteilt werden könnte.

Als Nächstes will Itiki seine Solar- und Windalgorithmen kombinieren, um herauszufinden, wie Supernetze die Energiezuverlässigkeit sowohl in der Karibik als auch auf dem Festland verbessern könnten. Könnte zum Beispiel das karibische Netz bei einem großen Wetterereignis in den USA zusätzliche Energie für die USA liefern?