Als der Hurrikan Maria 2017 Puerto Rico heimsuchte, rissen Winde Bäume um und zerstörten Häuser, während heftige Regenfälle Straßen in Flüsse verwandelten. Aber nachdem der Sturm vorüber war, stieg die Zahl der Menschen weiter an, da die Bewohner monatelang ohne Strom kämpften. Fünf Jahre später sind die Stromausfälle immer noch lang und häufig.
Auf Gewerbegebäuden installierte Sonnenkollektoren schaffen unabhängige Mikronetze in Adjuntas, Puerto Rico. Forscher des Oak Ridge National Laboratory entwickeln eine neue Technologie, um zu steuern, wie die Microgrids zusammenarbeiten. Bildnachweis: Fabio Andrade, über Oak Ridge Laboratories
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Um bezahlbare, zuverlässige und nachhaltige Elektrizität für unterversorgte Gemeinden wie diese bereitzustellen, arbeiten Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums mit lokalen Organisationen, gemeinnützigen Organisationen und Universitäten zusammen, um die Widerstandsfähigkeit von unabhängigen Mikronetzen zu stärken, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Das ORNL entwickelt eine Technologie, die Gruppen kleiner Microgrids als Cluster verwaltet und ihre Zuverlässigkeit selbst bei Beschädigung erhöht.
Microgrids sind kleine Netze, die in der Regel über eine eigene Energieversorgung aus nahe gelegenen erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne verfügen. Wenn ein Batteriespeicher hinzugefügt wird, können Microgrids isoliert werden und unabhängig im „Inselmodus“ funktionieren, wenn das breitere Versorgungsnetz ausfällt.
Die ORNL-Ingenieure Ben Ollis und Max Ferrari leiten ein Team zur Entwicklung eines Microgrid-Orchestrators für den Einsatz in der puertoricanischen Stadt Adjuntas. Durch eine Partnerschaft zwischen der lokalen gemeinnützigen Casa Pueblo und der Honnold Foundation wird dort bereits ein Community-Microgrid-Projekt installiert.
Honnold, das Solarprojekte zur Verringerung der globalen Energiearmut finanziert, investiert 1,7 Millionen US-Dollar in die Schaffung von zwei Microgrids mit Solar- und Batteriespeichern, sagte Honnold-Projektkoordinatorin Cynthia Arellano. Die Solaranlagen wurden letztes Jahr installiert und werden in diesem Jahr an die verbleibende Infrastruktur angeschlossen.
Hier kommt ORNL ins Spiel: Schaffung eines neuartigen Orchestrator-Tools zur Verwaltung eines Clusters von Microgrids, damit sie sich direkt unterstützen und miteinander kommunizieren, wodurch sie bei langen Stromausfällen widerstandsfähiger werden. Wenn beispielsweise ein Microgrid einen Teil seiner Solarstromerzeugung verliert, könnte das benachbarte Microgrid Strom an seinen Nachbarn exportieren und so die Auswirkungen des Schadens minimieren.
„Mir ist nirgendwo ein Microgrid-Controller bekannt, der mit einem anderen Controller kommunizieren und sich koordinieren könnte“, sagte Ollis. „Wir entwerfen eine Architektur für Multi-Microgrid-Steuerungen, sodass eine beliebige Anzahl von Microgrids unabhängig voneinander betrieben werden kann, aber Informationen an einen Orchestrator weitergeben kann, der vorhersagt, wann umgeschaltet, geroutet und verbunden werden soll.“
Laut Ferrari deuten erste Simulationen darauf hin, dass die Microgrids sich gegenseitig mindestens eine Woche am Laufen halten könnten. Aber unter idealen Bedingungen könnten sie möglicherweise unbegrenzt weiterbetrieben werden.
Das ist nicht nur eine Frage der Bequemlichkeit. „Viele Menschen starben nach dem Hurrikan, und viele der Todesfälle standen im Zusammenhang mit Stromausfällen“, sagte Arturo Massol-Deyá, Geschäftsführer von Casa Pueblo, das sich für eine gerechte und nachhaltige Entwicklung rund um Adjuntas einsetzt. Diese langjährige Gemeinschaftsorganisation installierte 1999 eine Solaranlage in ihrem Gebäude. Nach dem Hurrikan Maria konnte Casa Pueblo den erzeugten Strom mit den Bewohnern teilen, die auf medizinische Geräte wie Beatmungsgeräte angewiesen waren.
„Wir haben festgestellt, wie viele Menschen krank wurden, die Prädiabetiker waren, Bluthochdruck hatten oder ungesunden Lebensbedingungen und Nahrungsmitteln ausgesetzt waren – vermeidbaren Bedingungen“, sagte Massol-Deyá. „Die Unterbrechung der Energiesicherheit hat mit Lebensqualität zu tun, und es gab langfristige Folgen in der Gemeinde.“ Die Basisunterstützung für Solarenergie baute sich dadurch stetig aus.
Community-weite Vorteile
Die Microgrids von Adjuntas umfassen Solaranlagen auf den Dächern von 13 Unternehmen, deren Eigentümer sich bereit erklären, den Bewohnern bei größeren Stromausfällen kritische Dienstleistungen wie Medikamente, Kühlung und Aufladen von Mobiltelefonen anzubieten. Im Gegenzug sparen die Unternehmen Geld für Strom und vermeiden den Einsatz teurer Dieselgeneratoren bei Naturkatastrophen, sagte Ferrari.
„ORNL, das diese Art von Controller-System bereitstellt, wird ein wirklich leistungsstarkes Tool für die Community sein“, sagte Arellano. Es sei ungewöhnlich, dass so viele Unternehmen und Eigentümer durch ein Microgrid verbunden seien, fügte sie hinzu, und die Infrastruktur werde es unterstützen, noch mehr hinzuzufügen.
Auf einer kürzlichen Reise nach Adjuntas trafen ORNL-Forscher lokale Geschäftsinhaber, um ihre Stromverbrauchsmuster besser zu verstehen. Als Ferrari zum Beispiel die Bäckerei besuchte, erfuhr er, zu welchen Zeiten Kühlschränke laufen müssen, damit der Teig richtig aufgeht. Er und Ollis versuchten, die kritischsten Stromlasten zu identifizieren, damit sie ein System entwickeln konnten, das den knappen Strom dort konzentriert, wo er am dringendsten benötigt wird.
„Hoffentlich hilft es nicht nur bei der Verwaltung der Mikronetze, sondern auch beim Schutz der kritischen Komponenten wie der Energiespeichereinheit“, sagte Massol-Deyá, der auch Professor an der University of Puerto Rico Mayaguez oder UPRM ist.
Das Einkommen, das von den gemeinschaftseigenen Mikronetzen erwirtschaftet wird, wird ihre Wartung und Erweiterung sowie die Installation unabhängiger Solarsysteme für die am stärksten benachteiligten Bewohner von Adjuntas finanzieren, sagte er.
Ein Gefühl der Dringlichkeit
Fabio Andrade ist UPRM-Ingenieurprofessor und Gastwissenschaftler am ORNL, der am Adjuntas-Projekt mitarbeitet. Seine Studenten modellieren Strategien, Tools und Algorithmen für die gemeinsame Nutzung von Solarstrom durch Microgrid-Nutzer. Der UPRM-Kollege Gerson Beauchamp führt die Schüler durch die Analyse der Solaranlage und die Vorhersage, wie viel Energie sie produzieren wird. Bei den aktuellen Strompreisen können die Unternehmen insgesamt damit rechnen, bis zu 78.000 US-Dollar pro Jahr einzusparen, wenn sie Solarenergie von den Microgrids kaufen, sagte Beauchamp.
Ferrari integriert Informationen von UPRM-Kollegen in seine Simulationen, die live mit tatsächlicher Microgrid-Hardware im Grid Research Integration and Deployment Center (GRID-C) des DOE am ORNL getestet werden. Der nächste Schritt ist die Ausführung der Konfiguration in der brandneuen vernetzten Testumgebung der Einrichtung für Microgrids. In einem weiteren Jahr wird der Orchestrator in Adjuntas eingesetzt.
Während die vom ORNL abgeleitete Technologie ein buchstäblicher Lebensretter in Puerto Rico sein könnte, birgt sie auch ein breiteres Potenzial, Mikronetze in die Lage zu versetzen, eine Schlüsselrolle im globalen Netz der Zukunft zu spielen. Intelligente Mikronetze, die erneuerbare Energien integrieren, sind bereit, die Netzflexibilität und -stabilität zu verbessern und gleichzeitig wichtige Dekarbonisierungsbemühungen zu unterstützen.
„Der Orchestrator umfasst ein Framework von Algorithmen, das erweitert und auf vielen Microgrids an jedem Standort bereitgestellt werden kann“, sagte Ollis. „Sie könnten viele ländliche Gemeinden am Netzrand zuverlässiger mit Strom versorgen. Ich möchte eine Zukunft sehen, in der Hunderte von Microgrids zusammenarbeiten, um kritische Infrastrukturen auf lokaler, regionaler und nationaler Ebene zu schützen.“
Die Arbeit des ORNL am Adjuntas-Projekt wird durch das Solar Energy Technologies Office des DOE finanziert. Ein Großteil des Microgrid-Orchestrator-Designs, der Konfiguration und der Tests findet im Microgrid-Testbed namens COMMANDER (Coordination of Multi-Microgrids and Networked Distributed Energy Resources) statt, das Teil der GRID-C-Einrichtung ist, die vom Office of Electricity des DOE finanziert wird.
Weitere Mitglieder des ORNL-Teams, die am Microgrids-Projekt von Adjuntas arbeiten, sind Guodong Liu, Aditya Sundararajan, Mohammed M. Olama und Yang Chen. Weitere akademische Partner sind die University of Central Florida und die University of Tennessee.
UT-Battelle verwaltet das Oak Ridge National Laboratory für das Office of Science des US-Energieministeriums. Als größter Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten arbeitet das Office of Science daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte https://energy.gov/science.
Crédito de la Traducción: Max Ferrari, ORNL.
Ursprünglich herausgegeben von Oak Ridge Nationallabor.
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