Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Sommarvärmevågor över hela landet testade om USA:s åldrande elnät kan hålla jämna steg med efterfrågan – ett problem som forskare säger kommer att förvärras av klimatförändringarna, eftersom svåra orkaner, skogsbränder och andra väderhändelser inträffar oftare, vilket stör elproduktion och överföring.
För att möta amerikanska konsumenters växande elbehov krävs större produktions- och överföringskapacitet, ökad motståndskraft och smartare hantering.
DU Newsroom frågade Amin Khodaei, chef för KLab och professor i el- och datorteknik vid University of Denvers Ritchie School of Engineering and Computer Science, hur ny teknik, smarta nät och aktiva konsumenter kan förbereda nätet för klimatförändringar.
Vilka utmaningar innebär klimatförändringarna för vårt nuvarande elnät?
Säkerhet, fritid, arbete, och nu mer än någonsin, utbildning är starkt beroende av ett elnät som kan leverera och tillhandahålla el utan avbrott. Men extrema väderhändelser och naturkatastrofer orsakade av klimatförändringar stör nätet och utgör flera utmaningar för dess drift.
Elnätet har traditionellt utformats med två mål i åtanke:tillförlitlighet och ekonomi. Tillförlitlighet representerar nätets förmåga att fortsätta elförsörjningen och leveransen vid begränsade utrustningsavbrott – till exempel om en eller två överföringsledningar är ur drift. Nätets ekonomiska mål är att välja den lägsta produktionsmixen för att producera el med hänsyn till de fysiska och tekniska begränsningarna för nätet och olika produktionsenheter. Elektriska företag har varit framgångsrika för det mesta i att uppnå dessa två mål under det senaste århundradet. Den ökande frekvensen och intensiteten av klimatinducerade katastrofer kräver dock att man överväger ett annat lika viktigt mål:motståndskraft. Resiliens definieras som förmågan hos ett elnät och dess komponenter att motstå och anpassa sig till störande händelser och snabbt återhämta sig från dem. Att uppnå motståndskraft är dyrt, och det ökande antalet katastrofer gör det bara värre.
Hur kan det nuvarande nätet anpassas eller uppgraderas för att säkerställa motståndskraftig och pålitlig el?
Det finns tre faktorer som driver framtida nätbehov och utmaningar. De två första är klimatförändringar och det föränderliga energiförsörjningslandskapet som jag talade om. Den tredje handlar om konsumenter. Konsumenternas sätt att använda el håller på att förändras. Det finns ett växande behov av ström av högre kvalitet för konsumenternas digitala enheter. Konsumenter installerar också mer och mer lokal produktion, inklusive solpaneler på taket och energilagringssystem för bostäder, vilket orsakar ett tvåvägsflöde av el för första gången någonsin, från kunder till uppströmsnätet. Den ökande användningen av elfordon är en annan stor förändring, som potentiellt skulle kunna fördubbla efterfrågan som är högst för en privatkonsument, vilket kräver uppgraderingar av nätet.
Nätet krävs för att förbättra sin kapacitet i tre lager av fysiskt, cyber- och beslutsfattande för att möta dessa utmaningar. Det fysiska lagret behöver ny teknik som övervakningsenheter i realtid och mikronät för att tillhandahålla lokal intelligens för att bättre hantera distribuerade resurser. Cyberskiktet behöver uppdaterad kommunikation och cybersäkerhetsåtgärder för att hantera det digitaliserade nätet. Och beslutsfattande lagret behöver en betydande översyn för att dra nytta av den senaste tekniken, såsom artificiell intelligens och avancerad datoranvändning.
Hur behöver nätet ändras för att få nya förnybara och pålitliga energiresurser online?
Elproduktion står för 25 % av växthusgasutsläppen, strax efter transportsektorn på 27 %. Förutom de omfattande negativa samhällseffekterna förvärrar dessa utsläpp klimatförändringarna som ytterligare skulle störa nätdriften. Det är viktigt att minska dessa utsläpp – något som bör göras genom att utnyttja rena, förnybara energiresurser som vind och sol.
Även om dessa resurser är rena, förnybara och blir allt mer kostnadseffektiva, utgör de några tekniska utmaningar för nätet. Den första utmaningen är produktionsintermittens och volatilitet, vilket innebär att de inte kan producera el hela tiden, och elproduktionen kan fluktuera avsevärt inom några sekunder. Nätet behöver uppgraderas för att hantera sådana fluktuationer genom att installera snabbinsatsenheter, huvudsakligen gasdrivna, eller energilagring, vilket är kostsamt. Den andra utmaningen är bristen på tröghet. De traditionella värmegenereringsenheterna förlitar sig på elektromekanisk energiomvandling genom roterande element, vilket erbjuder en mekanisk tröghet som kan erbjudas för att klara små lastvariationer. Detta är nödvändigt för att hålla nätet stabilt. Vind- och solenergiresurser erbjuder inte tröghet och kan därför inte stödja nätstabilitet. De senaste framstegen inom kraftelektronik, d.v.s. högeffektelektronik som används för att koppla ihop vind- och solenergiproduktionen med kretsen, ger hållbara lösningar på denna utmaning.
Behöver konsumenternas beteende förändras med nätet?
Konsumentbeteendet förändras i själva verket, vilket gör konsumenterna från traditionellt passiva aktörer i nätet till mer aktiva aktörer som kan reagera på nätets förhållanden. Om ett avbrott i nätet stör elleveransen kommer den framtida konsumenten automatiskt att gå över till sin egen produktion för att lokalt åtgärda det avbrottet. Om det inte blir avbrott kommer den framtida konsumenten att sälja tillbaka el till nätet och få betalt för sitt bidrag till nätförsörjningen.
En aktiv konsument kan dock spela en mycket viktigare roll i nätdrift. Många av nätets tekniska utmaningar – till exempel fluktuationen av förnybar generation – behov av förbättrad motståndskraft, och till och med systemåterställning efter katastrofer, kan hanteras av aktiva konsumenter. För att förenkla det avsevärt, tänk på vad Uber gjorde för transporter. På det sätt som Uber tillhandahållit ett lönsamt och ytterligare alternativ för transporter, kan aktiva konsumenter tillhandahålla flera hållbara tjänster för ett mer pålitligt, motståndskraftigt, effektivt och rent kraftnät. + Utforska vidare
