"Super Grids" do akcji: Wykorzystanie energii słońca i wiatru przeciwko huraganom na Karaibach

Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) opracowali model podtrzymywania energii elektrycznej na Karaibach podczas huraganów poprzez badanie "supersieci". Te wzajemnie połączone systemy sieciowe mają na celu zrównoważenie wpływu zmniejszonej mocy słonecznej podczas burz, zwiększając niezawodność i odporność energetyczną.

Kiedy huragany zagrażają tropikalnym wybrzeżom, na ratunek mogą przyjść "supersieci". Karaibskie wyspy odchodzą od importu drogich paliw kopalnych, wykorzystując obfite zasoby słońca i wiatru do wytwarzania energii elektrycznej. Jednak częste huragany mogą znacznie zmniejszyć wytwarzanie energii słonecznej. Naukowcy z ORNL opracowali kompleksową metodę modelowania, aby lepiej przewidzieć spadek produkcji energii elektrycznej, gdy chmury burzowe przesłaniają panele słoneczne. Zespół badał sposoby kompensacji tych strat energii za pomocą supersieci, czyli zbioru połączonych ze sobą sieci umożliwiających przepływ energii elektrycznej przez łańcuchy wysp lub między kontynentami.

Główny badacz Rodney Itiki podkreślił, że planowanie infrastruktury ma kluczowe znaczenie dla utrzymania sprawiedliwego dostępu do energii elektrycznej w 12 karaibskich krajach wyspiarskich i terytoriach USA, takich jak Portoryko i Wyspy Dziewicze Stanów Zjednoczonych. Mieszkańcy tych wysp, którzy w przeszłości nie mieli dostępu do energii elektrycznej, nie mogą łatwo ewakuować się po wielu huraganach, które co roku nawiedzają Karaiby. Utrata energii słonecznej podczas huraganów prawdopodobnie stanie się coraz ważniejsza na wyspach takich jak Puerto Rico, które dąży do przejścia na całkowicie odnawialną energię do 2050 roku.

Model Itiki można wykorzystać do zrozumienia wpływu chmur huraganowych na dowolny system elektryczny. W tym badaniu on i jego zespół ekspertów w dziedzinie integracji sieci, odnawialnych źródeł energii i zaawansowanych metod obliczeniowych wykorzystali swój algorytm do zbadania różnych podejść do podłączenia do sieci. Modelowali, jak każde podejście wpłynęłoby na dostępność energii elektrycznej, analizując, w jaki sposób duży huragan zmniejszyłby moc ze znanych instalacji słonecznych podczas podróży 10 możliwymi ścieżkami w ciągu 10 do 14 dni.

"Jest to jeden z głównych wkładów badań, ponieważ kiedy projektujemy system zasilania, musimy to zrobić, biorąc pod uwagę wszystkie możliwe przypadki - przede wszystkim najgorszy scenariusz" - powiedział Itiki, pracownik naukowy z tytułem doktora w grupie ORNL Power Systems Resilience.

Naukowcy wykorzystali symulacje, aby zrozumieć dostępność energii podczas huraganów, gdyby sieci elektryczne były połączone kablami wysokiego napięcia na dnie oceanu. Aby dowiedzieć się, czy te super-sieci zrównoważyłyby przepływ energii między regionami, zespół modelował cztery różne kombinacje: samodzielną sieć USA; samodzielną karaibską super-sieć łączącą wszystkie wyspy; super-sieć USA-Karaiby; oraz super-sieć łączącą USA, wyspy karaibskie i Amerykę Południową.

Największa konfiguracja super-sieci obejmowała 90 elektrowni fotowoltaicznych w korytarzu huraganu, a także farmy słoneczne w miejscach takich jak Kalifornia i Brazylia, na które huragany nie mają wpływu. Model wykazał, że niektóre elektrownie słoneczne tracą nawet 88% swojej mocy wytwórczej przez dwa dni, gdy są zacienione przez chmury huraganowe.

Naukowcy odkryli, że supersieć USA-Karaiby najbardziej zwiększa niezawodność zasilania. Samodzielna karaibska supersieć okazała się najmniej pomocna, częściowo dlatego, że trajektorie huraganów zazwyczaj pokrywają się z łańcuchem wysp. Dodatek południowoamerykański nie zmniejszył znacząco wahań mocy, ponieważ kontynent ten ma niewiele instalacji słonecznych. Mógłby jednak zapewnić bezpieczeństwo energetyczne jako alternatywne źródło zasilania, gdyby wyspy zostały odłączone od siebie nawzajem lub od systemu amerykańskiego.

Itiki jako student był zaintrygowany udanym podmorskim połączeniem między sieciami elektrycznymi Wielkiej Brytanii i Niemiec. Badał potencjalne korzyści płynące z podobnych połączeń, dopóki klęska żywiołowa w 2017 r. nie zawęziła jego geograficznego zainteresowania.

"Wkrótce po tym, jak huragan Maria uderzył w Portoryko, zacząłem myśleć o połączeniu Portoryko z Florydą" - powiedział Itiki. Maria pozostawiła niektórych Portorykańczyków bez prądu przez prawie rok, co było najdłuższą przerwą w dostawie prądu w historii Stanów Zjednoczonych.

Początkowo Itiki skupił się na energii wiatrowej podczas huraganów. Badał, w jaki sposób amerykańsko-karaibska supersieć mogłaby zmniejszyć spadki mocy spowodowane uszkodzeniem portorykańskich turbin wiatrowych przez huragany. Po udoskonaleniu technologii turbin, które uczyniły je silniejszymi, zbadał, w jaki sposób przypływ energii wiatrowej z huraganów mógłby być dzielony między Karaiby, USA i Amerykę Południową.

Następnie Itiki zamierza połączyć swoje algorytmy słoneczne i wiatrowe, aby określić, w jaki sposób supersieci mogłyby szeroko zwiększyć niezawodność energetyczną zarówno na Karaibach, jak i na kontynencie. Na przykład, czy podczas poważnego zdarzenia pogodowego w USA, karaibska sieć mogłaby zapewnić dodatkowe zasilanie dla Stanów Zjednoczonych?