Nationens största men minst tätbefolkade stat, Alaska är ett land av superlativ och motsägelser. I århundraden, dess avlägsna samhällen, svår terräng, extremt väder, naturens underverk, och ett rikt djurliv har väckt fantasin hos orädda upptäcktsresande från hela världen.

Expeditionsledare i svunna dagar med hopkopplade huskies till sina slädar för att korsa den frusna terrängen. Nu, en ny typ av pionjärer utnyttjar en mycket annan typ av kraft – från hav och floder – för att tillföra pålitlig ren energi till avlägsna samhällen i Alaska och utanför.

Forskare från National Renewable Energy Laboratory (NREL) arbetar med industrin, stam, regering, och nationella laboratoriepartner för att mer effektivt utnyttja Alaskas enorma marina energiresurser. NREL-ledda bedömningar hjälper den avlägsna stambyn Igiugig att identifiera självförsörjande mikronätalternativ, medan teamets resurskarakteriseringsarbete i Cook Inlet har potential att leverera kraft till nätet för distribution över staten. NREL-studien Marine Hydrokinetic Energy Site Identification and Ranking hjälpte till att identifiera platser för dessa projekt.

Även om det verkar vara två mycket olika företag, båda kräver högkvalitativ data och sofistikerad modellering för att utvecklare av marina energienheter och projekt ska lyckas.

"Det är där vi kliver in, " sa NREL seniorforskare Levi Kilcher, som styr båda projekten och växte upp på Cook Inlets strandlinje. "Våra bedömningar informerar utvecklingen av mer tillförlitlig och prisvärd marin energiteknik. Vi hjälper till att identifiera kortsiktiga lösningar som möter behoven i Alaskas landsbygdssamhällen, och vi levererar offentlig information som behövs för att designa framtidens storskaliga havsenergiprojekt."

Att utnyttja nationens största tidvattenkraftsresurser

Mer än 30 % av USA:s tidvattenkraft kan hittas i Cook Inlet, som täcker cirka 180 miles av södra centrala Alaska. Detta ger tillräckligt med energi för att driva 18 miljoner hem – långt utöver antalet hus i hela staten. Sträcker sig till Anchorage, inloppet erbjuder omedelbar närhet till statens största befolkningscentra, såväl som till "Railbelt" elnätet, som täcker 65% av Alaskas befolkning.

På samma gång, själva landskapet i området ställer till utmaningar. Floderna som rinner ut i Cook Inlet matas av glaciärer och utgör unika risker för marin kraftteknik. Glaciala sediment i Cooks inloppsvatten kan slita på tätningar och lager av tidvattenturbiner, turbulens vid de mest lovande tidvattenplatserna är så energisk att dess skakande rörelse kan skada turbinerna, och nedsänkta isberg lastade med grus och sand kan kollidera med och skada turbiner. NREL:s data om turbulens och nedsänkta isberg ger utvecklare den information som behövs för att designa enheter och system robusta nog att hålla i årtionden.

NREL:s toppmoderna resursmätningsmetoder, parat med högupplöst resursmodellering vid samverkande Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och Sandia National Laboratories, hjälper till att avslöja exakt var havsenergiprojekt kan visa sig vara mest lönsamma. Upplösningen för nya vågmodeller är 10 gånger högre än för tidigare modeller, tillhandahålla en nivå av trohet som gör det möjligt att exakt identifiera områden med störst potential, samt eventuella utmaningar.

"Karakteriseringen och modelleringsarbetet vi gör lägger grunden för industrin att designa och utveckla system som effektivt kan utvinna marina energiresurser och leverera kraft som dessa samhällen – och nationen – behöver, " sa Kilcher.

NREL samarbetar med PNNL, Ocean Renewable Power Company (ORPC), och Terrasond Limited på Cook Inlet-projektet finansierat av Department of Energy (DOE), bygger på tidigare tidvattenstudier utförda av dessa partners och University of Washington i Puget Sound i delstaten Washington och Western Passage of Maine. I relaterat arbete av NREL och dess partners, forskare planerar för vågmodeller för att så småningom täcka hela USA:s exklusiva ekonomiska zon i territorialvattnet runt USA. Data från dessa modeller görs tillgängliga online via NREL:s Marine and Hydrokinetic (MHK) Atlas.

Utveckla ett mikronät i en avlägsen stamby

De 69 invånarna i Igiugig bor mer än 60 mil från nästa by i sydvästra Alaska. Denna Yup'ik stamgemenskap är inte ansluten till elnätet och förlitar sig för närvarande på en samling dieselgeneratorer som sin primära kraftkälla.

NREL samarbetar med Igiugig Village Council (IVC), staten Alaska, och andra lokala partners i detta DOE-sponsrade projekt för att utforska potentialen för ett mikronät för förnybar energi för att ge större självförsörjning och ett lättare miljöavtryck, samtidigt som de tjänar som en testbädd för teknik och hedrar kulturella värden. Teamet undersöker möjligheter och utmaningar för scenarier för generering av förnybar energi med hög penetration, samla in data för att bättre förstå energibelastningar, och hjälpa till att identifiera en vision för de kommande 10 till 20 åren.

Den närliggande Kvichakfloden presenterar en unik energiresurs, stadigare och mer pålitlig än havsmarin, vind, eller solkällor. I ett separat men relaterat projekt, NREL stödjer IVC och ORPC i systemvalidering av en turbin som är planerad för utplacering i Igiugig. Efter att ha bekräftat system- och komponentkompatibilitet och utvärderat microgrid-konfigurationen, teamet hoppas kunna etablera det första långsiktiga systemet i sitt slag på denna plats.

Även om floden har potential att ge tillförlitlig baslastkraft, dess koppling till Bristol Bay Salmon Run – den största vilda sockeyelaxen i världen – betyder att samhället är inriktat på att se till att fisken håller sig borta från turbinen. Tidigare undersökningar har visat att fisk säkert kan samexistera med marina anläggningar.

Samhället överväger en rad energialternativ, inklusive energieffektiviseringsåtgärder för byggnader och vind, solceller, solvärme, och biomassapannor. Preliminära undersökningar av forskare vid NREL och University of Alaska Fairbanks tyder på att en mångsidig blandning av förnybara energikällor skulle kunna tillhandahålla så mycket 70 % av Igiugigs energibehov utan stora ökningar av deras energipriser.

Microgrid-projektet växte fram ur Alaska National Lab Day Summit 2018, som samlade ledare från delstaten Alaska, HIND, och NREL för att bättre förstå hur regeringen mer effektivt kan mobilisera forskning för att hjälpa samhällen på landsbygden i Alaska. Om dessa projekt blir framgångsrika, Metoderna och teknikerna kan vara värdefulla för andra landsbygdssamhällen runt om i världen.

Ser fram emot, Medan man lär sig av det förflutna

Motiverad till stor del av tidigare banbrytande framgångar i karakterisering av turbulens för att förbättra vindkraftverksdesign, NREL oceanografer, ingenjörer, och dataforskare mäter resursdetaljer som är avgörande för att konstruera och designa nästa generations marina energienheter. Kilchers team tillämpar lärdomar från dessa tidigare genombrott på sina aktiviteter i Cook Inlet, Igiugig, och vidare.

"Förnybar energi är framtiden, och Alaskas enorma marina resurser har potential att spela en stor roll där, " sa Kilcher. "Det är fantastiskt att vara med och lägga grunden för städning, pålitliga energiprojekt – och jobben som följer med dem – i mitt hemland."