"Super Grids" to the Rescue: Harnessing Sun and Wind Against Caribbean Hurricanes

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben een model ontwikkeld om de elektriciteit in het Caribisch gebied tijdens orkanen op peil te houden door "supergrids" te onderzoeken. Deze onderling verbonden netwerksystemen zijn bedoeld om de impact van verminderde zonne-energie tijdens stormen te compenseren en zo de betrouwbaarheid en veerkracht van de energie te vergroten.

Als orkanen tropische kusten bedreigen, kunnen "supernetwerken" te hulp schieten. Caribische eilanden stappen af van het importeren van dure fossiele brandstoffen en gebruiken hun overvloedige zon en wind om elektriciteit op te wekken. Regelmatige orkanen kunnen de opwekking van zonne-energie echter aanzienlijk verminderen. ORNL-onderzoekers ontwikkelden een uitgebreide modelleringsmethode om de daling in elektriciteitsopwekking beter te voorspellen wanneer stormwolken zonnepanelen overschaduwen. Het team onderzocht manieren om deze energieverliezen te compenseren met supernetten, een verzameling onderling verbonden netten waardoor elektriciteit over eilandketens of tussen continenten kan stromen.

Hoofdonderzoeker Rodney Itiki benadrukte dat deze infrastructuurplanning cruciaal is voor het behoud van gelijke toegang tot elektriciteit in de 12 eilandlanden in het Caribisch gebied en Amerikaanse gebieden zoals Puerto Rico en de Amerikaanse Maagdeneilanden. Deze eilandbewoners, die van oudsher onderbediend zijn, kunnen niet gemakkelijk evacueren van de vele orkanen die het Caribisch gebied elk jaar teisteren. Het verlies van zonne-energie tijdens orkanen zal waarschijnlijk steeds belangrijker worden op eilanden zoals Puerto Rico, dat ernaar streeft om tegen 2050 over te schakelen op volledig hernieuwbare energie.

Itiki's model kan worden gebruikt om de impact van orkaanwolken op elk elektrisch systeem te begrijpen. In dit onderzoek gebruikten hij en zijn team van experts op het gebied van netintegratie, hernieuwbare energiebronnen en geavanceerde rekenmethoden zijn algoritme om verschillende benaderingen voor netaansluitingen te onderzoeken. Ze modelleerden hoe elke aanpak de beschikbaarheid van elektriciteit zou beïnvloeden en analyseerden hoe een grote orkaan de stroom van bekende zonne-installaties zou verminderen terwijl hij 10 mogelijke paden aflegde gedurende 10 tot 14 dagen.

"Dit is een van de belangrijkste bijdragen van het onderzoek, want als we een elektriciteitssysteem ontwerpen, moeten we rekening houden met alle mogelijke gevallen - vooral het ergste scenario," zei Itiki, een postdoctorale onderzoeksmedewerker bij de Power Systems Resilience-groep van ORNL.

Onderzoekers gebruikten simulaties om inzicht te krijgen in de beschikbaarheid van stroom tijdens orkanen als elektriciteitsnetten via hoogspanningskabels op de oceaanbodem met elkaar verbonden zouden zijn. Om te leren of deze supernetten de energiestroom tussen de regio's in balans zouden brengen, modelleerde het team vier verschillende combinaties: een standalone elektriciteitsnet in de VS; een standalone supernet in het Caribisch gebied dat alle eilanden met elkaar verbindt; een supernet tussen de VS en het Caribisch gebied; en een supernet dat de VS, Caribische eilanden en Zuid-Amerika met elkaar verbindt.

De grootste supernetconfiguratie omvatte 90 fotovoltaïsche installaties binnen de orkaancorridor, plus zonneparken in plaatsen zoals Californië en Brazilië die niet door deze orkanen worden getroffen. Het model toonde aan dat sommige zonnecentrales maar liefst 88% van hun opwekkingscapaciteit verloren gedurende twee dagen in de schaduw van orkaanwolken.

Onderzoekers ontdekten dat het supernetwerk tussen de VS en het Caribisch gebied de betrouwbaarheid van de stroom het meest verhoogt. Het standalone Caraïbische supernetwerk bleek het minst nuttig, deels omdat orkaanbanen meestal samenvallen met de eilandenketen. De Zuid-Amerikaanse toevoeging verminderde stroomschommelingen niet significant omdat het continent weinig zonne-installaties heeft. Het zou echter wel voor energiezekerheid kunnen zorgen als alternatieve stroomvoorziening als eilanden van elkaar of van het Amerikaanse systeem worden losgekoppeld.

Itiki was als afgestudeerd student geïntrigeerd door de succesvolle onderzeese verbinding tussen de elektriciteitsnetten van het Verenigd Koninkrijk en Duitsland. Hij bestudeerde de potentiële voordelen van soortgelijke verbindingen totdat een natuurramp in 2017 zijn geografische focus vernauwde.

"Kort nadat orkaan Maria Puerto Rico had getroffen, begon ik na te denken over het verbinden van Puerto Rico met Florida," zei Itiki. Door Maria zaten sommige Puerto Ricanen bijna een jaar zonder elektriciteit, de langste stroomstoring in de geschiedenis van de VS.

Itiki richtte zich in eerste instantie op windenergie tijdens orkanen. Hij onderzocht hoe een supernetwerk tussen de VS en het Caribisch gebied de stroomstoringen zou kunnen verminderen die veroorzaakt worden wanneer orkanen windturbines in Puerto Rico beschadigen. Nadat verbeteringen aan de turbinetechnologie ze sterker hadden gemaakt, onderzocht hij hoe een golf van orkaanwindenergie gedeeld kon worden tussen het Caribisch gebied, de VS en Zuid-Amerika.

Vervolgens wil Itiki zijn algoritmen voor zonne- en windenergie combineren om te bepalen hoe supernetwerken de betrouwbaarheid van energie in het Caribisch gebied en op het vasteland kunnen verbeteren. Zou het Caraïbische net tijdens een grote weersgebeurtenis in de VS bijvoorbeeld extra stroom kunnen leveren aan de VS?