Vierjähriges Multilab-Projekt bewertet, wie Gemeinden sicher, effektiv und effizient von verteilter Windenergie profitieren können
Keine Straße führt nach St. Mary’s, Alaska. Um dorthin zu gelangen, fahren die meisten Leute mit dem Boot den nahe gelegenen Yukon River hinunter, der fast so breit ist wie das Dorf selbst. Dieselbe Route wird verwendet, um Vorräte wie den Dieselkraftstoff zu bringen, der benötigt wird, um das Leben der Bewohner mit Strom zu versorgen und zu unterstützen. 90 % davon sind Ureinwohner Alaskas. Aber Eiskalte Winter und peitschende Winde können Lieferungen außerhalb der ruhigeren Sommermonate jederzeit verhindern.
Eine 900-Kilowatt-Turbine von Emergya Wind Technologies wurde 2019 in St. Mary’s, Alaska, in Betrieb genommen. Das MIRACL-Projekt analysierte seine Resilienzvorteile und Wertströme sowie die potenziellen Vorteile einer fortschrittlicheren Kontrolle. Foto vom US-Energieministerium.
Glücklicherweise können Alaskas starke Winde auch saubere, lokale und erschwingliche Energie erzeugen. Verteilte Windenergie – produziert von Windkraftanlagen, die lokale Kunden wie Kleinstädte, Bauernhöfe, Unternehmen oder sogar Einfamilienhäuser beliefern – könnten abgelegenen und ländlichen Gebieten wie St. Mary’s langfristige wirtschaftliche, gesellschaftliche und ökologische Vorteile bringen.
St. Mary’s installierte 2019 eine einzelne 900-Kilowatt-Windkraftanlage. Diese Turbine produziert etwa 50 % ihrer Energie.
Während verteilte Windenergieprojekte St. Mary’s und anderen Gemeinden bereits Geld sparen und andere Vorteile bringen, war ihre Einführung begrenzt, da zwischen 2003 und 2021 landesweit nur 1.075 Megawatt kumulierte verteilte Windkapazität bereitgestellt wurden. Mangelndes Bewusstsein für verteilte Windenergie Wirtschaftlicher Wert, sauberer Energiewert und Energieresilienz könnten zu seiner langsamen Einführung beigetragen haben.
Jetzt dank der vierjährigen Microgrids, Ausfallsicherheit der Infrastruktur und Advanced Controls Launchpad (oder MIRACL)-Projekt existieren diese Daten und bestätigen, dass dezentrale Windenergie für viele Gemeinden, insbesondere in abgelegenen und ländlichen Gebieten, eine kostengünstige Quelle sauberer Energie sowie eine Schlüsselkomponente in zuverlässigen und widerstandsfähigen Energiesystemen sein könnte.
„Es gibt ein starkes Ressourcenpotenzial für verteilten Wind in den Vereinigten Staaten“, sagte Ian Baring-Gould, Forscher am National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums und Mitglied des MIRACL-Forschungsteams. „Als erneuerbare Ressource kann es dazu beitragen, CO2-Emissionen auszugleichen und eine saubere Energiequelle für Gemeinden bereitzustellen. Für einige abgelegene oder ländliche Gebiete kann es die beste verfügbare Quelle sauberer Energie sein.“
Das Projekt MIRACL wurde 2018 vom Büro für Windenergietechnologien des US-Energieministeriums gestartet und untersuchte, wie Gemeinden Windenergie sicher, effektiv und effizient in Verteilungs-, Insel-, Hybrid- oder Mikronetzsysteme (wie St. Mary’s) integrieren können ist ein isoliertes Microgrid, das nicht an ein größeres Stromnetz angeschlossen ist).
Zu diesem Zweck kam ein gemeinsames Team von Forschern des NREL, des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), der Sandia National Laboratories (Sandia) und des Idaho National Laboratory (INL) zusammen, um die vielen Vorteile der dezentralen Windenergie besser voranzutreiben – durch Einsparungen bei den Energiekosten zu verbesserter Resilienz – für Gemeinden in den Vereinigten Staaten.
„Wenn Menschen an verteilte Windenergie denken, denken viele an eine einzelne kleine Turbine draußen auf einem Feld“, sagte Caitlyn Clark, die leitende Ermittlerin des MIRACL-Projekts und Forscherin am NREL. „Aber es gibt viele Anwendungen, bei denen verteilter Wind genutzt werden kann. Das MIRACL-Projekt fragte: „Welche Barrieren verhindern die Entwicklung verteilter Winde? Und was können wir tun, um diese Barrieren zu überwinden?’“
Das MIRACL-Team identifiziert vier Hauptanwendungsfälle für dezentrale Windenergie allein oder in Kombination mit anderen Stromarten, auch in Inselnetzen und Microgrids.
Obwohl die Hersteller kleiner Windkraftanlagen ein zunehmendes Interesse an Microgrids und Hybridsystemen verzeichnen, die Windenergie mit anderen erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenkollektoren und Energiespeichern koppeln, ist die neu hinzugefügte verteilte Windenergiekapazität von etwa 22 Megawatt im Jahr 2020 auf 12 gesunken Megawatt im Jahr 2021, sagte Alice Orrell, Leiterin der verteilten Windforschung bei PNNL und Ermittlerin im MIRACL-Team. Das ist eine Reduzierung um fast 50 %.
Schließung wichtiger Wissenslücken
Ein Teil dieses Rückgangs könnte auf mangelndes Wissen über den Wert der dezentralen Windenergie in Bezug auf wirtschaftliche Vorteile, Netzdienste, Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit sowie Energiesicherheit zurückgeführt werden. Die Arbeit des MIRACL-Teams konzentriert sich darauf, diese Lücken zu schließen.
Eine Studie über verteilten Wind in abgelegenen Gemeinden in Alaska zeigte, wie diese Gemeinden von dieser Quelle erneuerbarer Energie profitieren könnten. (Foto von Drew Dempsey An Unsplash)
Experten von PNNL entwarfen ein Novum seiner Art Rahmen zu schätzen verteilte Windenergie tatsächlichen Wert in einer Vielzahl von Fallstudien und Szenarien.
Teammitglieder von NREL und Sandia untersuchte fortgeschrittene Kontrollen, die die elektrischen und mechanischen Systeme einer Windkraftanlage über ein Netzwerk von Sensoren betreiben, die mit einem zentralen Verarbeitungssystem verbunden sind. Diese modernen Methoden zur Steuerung einzelner Windkraftanlagen können Änderungen der Windgeschwindigkeiten kompensieren oder sogar vorhersagen, um die Art und Weise zu verbessern, wie Windkraftanlagen in Koordination mit anderen dezentralen Energietechnologien wie Solarenergie und Speicherung arbeiten, um so viel Energie wie möglich zu nutzen.
Die Experten des INL untersuchten auch, wie verteilte Windenergie mehr leisten könnte Verlässlichkeit und Resilienz gegenüber Gemeinschaften die extreme Wetterereignisse erleben.
Der Resilienz Rahmen Sie können dabei helfen, die Auswirkungen verschiedener System-Upgrades auf die Widerstandsfähigkeit zu vergleichen, die Auswirkungen verteilter Windenergie auf die Widerstandsfähigkeit des Gesamtsystems zu quantifizieren und Investitionsentscheidungen mithilfe einer risikobasierten Analyse zu leiten. Das Framework wird nun zu einem Tool weiterentwickelt, das die Analyse automatisiert und den Zugang zur Forschung verbessert.
Darüber hinaus bewertete ein am INL ansässiges Team die potenzielle Bedrohung, die Cyberangriffe für verteilte Windenergiesysteme darstellen könnten. Ihre Ergebnisse könnten Herstellern und Betreibern helfen, Windkraftanlagen vor diesen Angriffen zu schützen.
„Cyber-Bedrohungen für die Stromversorgungsinfrastruktur insgesamt und insbesondere für die Windenergie nehmen weiter zu“, sagte Megan Culler, Ingenieurin bei INL und MIRACL-Projektermittlerin. „Für dezentrale Windenergie können Cyber-Risiken Ransomware, ungezielte Malware und andere Angriffe umfassen, die auf oft ungeschützte Architekturen abzielen.“
Das MIRACL-Team stellte außerdem fest, dass die Kopplung von verteilter Windenergie mit Solarenergie und Energiespeicherung die Konsistenz der Stromerzeugung erheblich verbessern kann. Da sich diese Quellen ergänzen, können solche Hybridsysteme den Energiebedarf besser decken.
„Im Vergleich zu Solarenergie bietet dezentrale Windenergie ein anderes Erzeugungsprofil, das Kunden sowohl allein als auch in Hybridsystemen möglicherweise besser bedienen kann“, sagte Clark.
Sie untersuchten auch das Potenzial verteilter Windenergie, auch als Teil dieser Hybridsysteme oder verbunden mit isolierten Netzen oder Mikronetzen, um Gemeinden dabei zu helfen, Widerstandsfähigkeit aufzubauen und das Licht bei Kälteeinbrüchen, Naturkatastrophen oder Cyberangriffen eingeschaltet zu lassen.
Implementierung in der realen Welt
Das MIRACL-Team direkt mit den Gemeinden gearbeitet zu analysieren, wie verteilte Windenergie dazu beitragen könnte, ihre Energiekosten zu senken oder die Stromversorgung selbst bei extremen Wetterereignissen aufrechtzuerhalten.
In Zusammenarbeit mit dem Alaska Center for Energy and Power und der örtlichen Stromgenossenschaft für St. Mary’s, der Alaska Village Electric Cooperative, identifizierte das MIRACL-Team auch Fortschritte in der Hybridsystemtechnologie, um die Kraftstoffeinsparungen weiter zu steigern.
Zusätzlich zu der Arbeit in Alaska arbeitete das Team mit der Iowa Lakes Electric Cooperative zusammen, einer Genossenschaft im Norden von Iowa, die 2009 zwei verteilte Windkraftanlagen mit sieben Turbinen und einer Gesamtleistung von jeweils 10,5 Megawatt installierte, die so dimensioniert und aufgestellt waren, dass sie zwei lokale Ethanol versorgen konnten Pflanzen. Das Team berücksichtigte die spezifischen Resilienzanforderungen der Ethanolanlagen und verwendete den Bewertungsrahmen, den Resilienzrahmen und die Hybriddesign-Tools, um die Vorteile der bestehenden Anlagen zu demonstrieren und Möglichkeiten zur Maximierung ihres Potenzials zu erkunden.
Das Team arbeitet auch mit der Stadt Algona, Iowa, zusammen und unterstützt sie dabei, potenzielle hybride Windenergieprojekte zu erkunden, die ihre derzeitige Energieversorgung ergänzen könnten.
Diese Partnerschaften können dazu beitragen, Vertrauen und Bewusstsein für den großen Wert der dezentralen Windenergie aufzubauen.
Für Rachid Darbali Zamora, einen Ingenieur bei Sandia, sind diese Community-Partnerschaften das, was ihn am MIRACL-Projekt am meisten begeistert. Neben lokalen Versorgungsunternehmen „findet das Team reale Lösungen, um die Auswirkungen sauberer Energie zu maximieren“, sagte er.
Erfahren Sie mehr über die Forschung und die wichtigsten Ergebnisse des MIRACL-Projekts in der kürzlich veröffentlichten Veröffentlichung Kompendium und NRELs Arbeit an verteilte Windenergie.
Eine Version dieses Artikels erschien auch auf der Büro für Windenergietechnologien des US-Energieministeriums am 9. März 2023.
Mit freundlicher Genehmigung von NREL.
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