När orkanen Maria slog till mot Puerto Rico 2017 knäckte vindar träd och förstörde hem, medan kraftiga regn förvandlade gator till floder. Men efter att stormen gått över fortsatte den mänskliga avgiften att öka när invånarna kämpade utan elektricitet i månader. Fem år senare är strömavbrotten långa och frekventa.

För att tillhandahålla mer överkomlig, tillförlitlig och hållbar el till underbetjänade samhällen som dessa, samarbetar forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory med lokala organisationer, ideella organisationer och universitet för att bygga upp motståndskraft i oberoende mikronät som drivs av förnybar energi. ORNL utvecklar en teknik som kommer att hantera grupper av små mikronät som ett kluster, vilket ökar deras tillförlitlighet även när de är skadade.

Mikronät är små nätverk som i allmänhet har sin egen energiförsörjning från närliggande förnybara källor som vind och sol. Om batterilagring läggs till kan mikronäten isoleras och fungera oberoende i "öläge" när det bredare nätverket misslyckas.

ORNL-ingenjörerna Ben Ollis och Max Ferrari leder ett team för att utveckla en mikrogrid-orkestrator som ska användas i den Puerto Ricanska staden Adjuntas. Ett community microgrid-projekt håller redan på att installeras där, genom ett partnerskap mellan den lokala ideella Casa Pueblo och Honnold Foundation.

Honnold, som finansierar solenergiprojekt för att minska den globala energifattigdomen, investerar 1,7 miljoner dollar för att skapa två mikronät med sol- och batterilagring, säger Honnolds projektkoordinator Cynthia Arellano. Solpanelerna installerades förra året och kommer att anslutas till den återstående infrastrukturen som läggs till i år.

Det är där ORNL går in:Skapar ett nytt orkestreringsverktyg för att hantera ett kluster av mikronät så att de direkt stödjer och kommunicerar med varandra, vilket gör dem mer motståndskraftiga under långa strömavbrott. Till exempel, om ett mikronät förlorar en del av sin solenergi, kan det intilliggande mikronätet exportera kraft till sin granne, vilket minimerar påverkan av skadan.

"Jag känner inte till en mikronätstyrenhet någonstans som kan kommunicera och koordinera med en annan styrenhet," sa Ollis. "Vi designar en arkitektur för kontroller med flera mikronät, så hur många mikronät som helst kan fungera oberoende men dela information till en orkestrator som förutsäger när växling, dirigering och anslutning ska ske."

Ferrari sa att initiala simuleringar indikerar att mikronäten kan hålla varandra igång i minst en vecka. Men med idealiska förhållanden kan de potentiellt fortsätta att fungera på obestämd tid.

Det är inte bara en fråga om bekvämlighet. "Många människor dog efter orkanen, och många av dödsfallen var relaterade till strömavbrott", säger Arturo Massol-Deyá, verkställande direktör för Casa Pueblo, som främjar rättvis och hållbar utveckling kring Adjuntas. Denna långvariga samhällsorganisation installerade en solcellspanel i sin byggnad 1999. Efter orkanen Maria kunde Casa Pueblo dela den elektricitet den genererade med invånare som förlitade sig på medicinsk utrustning i hemmet som andningsskydd.

"We noticed how many people got sick who were pre-diabetic, or had high blood pressure, or were exposed to unhealthy living conditions and food—preventable conditions," said Massol-Deyá. "Energy security being interrupted is about quality of life, and there were long-term consequences in the community." Grassroots support for solar power built steadily as a result.

Community-wide benefits

The Adjuntas microgrids include solar installations on the roofs of 13 businesses, whose owners agree to provide critical services like medicine, refrigeration and cell phone charging to residents during major power outages. In return, the businesses save money on electricity and avoid the use of expensive diesel generators during natural disasters, Ferrari said.

"ORNL deploying this kind of controller system is going to be a really powerful tool for the community," Arellano said. It's unusual for so many businesses and owners to be linked by a microgrid, she added, and the infrastructure will support adding even more.

On a recent trip to Adjuntas, ORNL researchers met with local business owners to better understand their electricity use patterns. For example, when Ferrari visited the bakery, he learned what times refrigerators must run for the dough to rise properly. He and Ollis sought to identify the most critical electricity loads so they can design a system that focuses scarce power where it's most needed.

"Hopefully it will help not only to manage the microgrids, but also to protect the critical components like the energy storage unit," said Massol-Deyá, who is also a professor at University of Puerto Rico Mayaguez, or UPRM.

The income produced by the community-owned microgrids will fund their maintenance and expansion, as well as installation of independent solar systems for the most disadvantaged Adjuntas residents, he said.

A sense of urgency

Fabio Andrade is a UPRM engineering professor and a visiting scientist at ORNL collaborating on the Adjuntas project. His students model strategies, tools and algorithms for sharing solar power among microgrid users. UPRM colleague Gerson Beauchamp guides students through analyzing the solar equipment and predicting how much energy it will produce. At current electricity prices, the businesses can collectively expect to save as much as $78,000 a year by buying solar energy from the microgrids, Beauchamp said.

Ferrari is incorporating information from UPRM colleagues into his simulations, which are being tested live with actual microgrid hardware at DOE's Grid Research Integration and Deployment Center, or GRID-C, at ORNL. The next step is running the configuration in the facility's brand-new networked testbed for microgrids. In another year, the orchestrator will be deployed in Adjuntas.

While the ORNL-derived technology could be a literal lifesaver in Puerto Rico, it also holds broader potential for enabling microgrids to play a key role in the global grid of the future. Intelligent microgrids that incorporate renewable energy are poised to advance grid flexibility and resiliency while supporting vital decarbonization efforts.

"The orchestrator includes a framework of algorithms that can be expanded and deployed to many microgrids at any site," Ollis said. "They could provide more reliable electricity to many rural communities at the grid edge. I want to see a future where we have hundreds of microgrids working together to protect critical infrastructure at local, regional and national levels." + Utforska vidare

Technology enhances solar option during outages