"Super Grids" till undsättning: Att utnyttja solen och vinden mot karibiska orkaner

Forskare vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har utvecklat en modell för att upprätthålla elförsörjningen i Karibien under orkaner genom att utforska "supernät". Dessa sammankopplade nät syftar till att kompensera för effekterna av minskad solkraft under stormar, vilket förbättrar energins tillförlitlighet och motståndskraft.

När orkaner hotar tropiska stränder kan "supernät" komma till undsättning. De karibiska öarna håller på att övergå från import av dyra fossila bränslen till att generera el med hjälp av sol och vind. Frekventa orkaner kan dock minska solenergiproduktionen avsevärt. ORNL-forskare utvecklade en omfattande modelleringsmetod för att bättre kunna förutsäga nedgången i elproduktion när stormmoln överskuggar solpaneler. Teamet undersökte olika sätt att kompensera för dessa energiförluster med supernät, en samling sammankopplade nät som gör att elen kan flöda över öar eller mellan kontinenter.

Den ledande forskaren Rodney Itiki betonade att denna infrastrukturplanering är avgörande för att upprätthålla rättvis tillgång till el i Karibiens 12 öländer och amerikanska territorier som Puerto Rico och Amerikanska Jungfruöarna. Dessa historiskt sett underförsörjda öbor kan inte enkelt evakuera från de många orkaner som drabbar Karibien varje år. Förlusten av solenergi under orkaner kommer sannolikt att bli allt viktigare på öar som Puerto Rico, som har som mål att övergå till helt förnybar energi senast 2050.

Itikis modell kan användas för att förstå hur orkanmoln påverkar vilket elsystem som helst. I den här studien använde han och hans team av experter på nätintegration, förnybara energikällor och avancerade beräkningsmetoder sin algoritm för att utforska olika metoder för nätanslutning. De modellerade hur varje metod skulle påverka tillgången till el och analyserade hur en stor orkan skulle minska effekten från kända solinstallationer när den färdades längs 10 möjliga vägar under 10 till 14 dagar.

"Det här är ett av de viktigaste bidragen från forskningen, för när vi utformar kraftsystemet måste vi ta hänsyn till alla möjliga fall - framför allt det värsta scenariot", säger Itiki, som är postdoktoral forskare vid ORNL:s Power Systems Resilience-grupp.

Forskarna använde simuleringar för att förstå strömtillgängligheten under orkaner om elnät var anslutna via högspänningskablar på havsbotten. För att ta reda på om dessa supernät skulle balansera energiflödet mellan olika regioner modellerade teamet fyra olika kombinationer: ett fristående amerikanskt nät; ett fristående karibiskt supernät som binder samman alla öar; ett supernät mellan USA och Karibien; och ett supernät som förbinder USA, Karibien och Sydamerika.

I den största konfigurationen av supernätet ingick 90 solcellsanläggningar inom orkankorridoren, plus solcellsparker på platser som Kalifornien och Brasilien som inte påverkas av dessa orkaner. Modellen visade att vissa solcellsanläggningar förlorade så mycket som 88% av sin produktionskapacitet under två dagar när de skuggades av orkanmoln.

Forskarna fann att supernätet mellan USA och Karibien ökar krafttillförlitligheten mest. Det fristående karibiska supernätet visade sig vara minst användbart, delvis för att orkanbanor vanligtvis är i linje med ökedjan. Det sydamerikanska tillägget minskade inte kraftvariationerna nämnvärt eftersom kontinenten har få solcellsinstallationer. Det kan dock bidra till energisäkerheten genom att fungera som en alternativ strömkälla om öarna skulle bli bortkopplade från varandra eller från det amerikanska systemet.

Itiki fascinerades redan som doktorand av den framgångsrika undervattensförbindelsen mellan elnäten i Storbritannien och Tyskland. Han studerade de potentiella fördelarna med liknande förbindelser tills en naturkatastrof 2017 begränsade hans geografiska fokus.

"Strax efter att orkanen Maria hade drabbat Puerto Rico började jag fundera på att koppla samman Puerto Rico med Florida", säger Itiki. Maria lämnade vissa puertoricaner utan el i nästan ett år, det längsta strömavbrottet i USA:s historia.

Itikis första fokus var på vindkraft under orkaner. Han undersökte hur ett supernätverk mellan USA och Karibien skulle kunna minska de strömavbrott som uppstår när orkaner skadar vindkraftverk i Puerto Rico. Efter att ha förbättrat turbintekniken och gjort dem starkare undersökte han hur en våg av vindenergi från orkaner skulle kunna delas mellan Karibien, USA och Sydamerika.

Därefter avser Itiki att kombinera sina sol- och vindalgoritmer för att fastställa hur supernät skulle kunna förbättra energitillförlitligheten i både Karibien och på fastlandet. Skulle till exempel det karibiska elnätet kunna förse USA med extra ström under en större väderhändelse i USA?