Amerikas mest kritiska del av energiinfrastrukturen – nätet – är mer sårbar än någonsin tidigare. Orsakerna är tvåfaldiga:en förändring i kraftkällans mix påverkar nätets stabilitet, kombinerat med en ökning av naturkatastrofer. När en del av nätet slocknar kan det orsaka en krusningseffekt över hela regioner om det inte snabbt korrigeras.

Det är där vattenkraft spelar en avgörande roll, enligt en ny studie ledd av Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) som kvantifierade vattenkraftens bidrag till nätstabilitet i USA:s västra region. När andra kraftkällor försvinner kan vattenkraften snabbt öka, ta igen underskott och stabilisera nätet nästan omedelbart.

Och brister blir allt vanligare – avbrott enbart på grund av extremt väder har fyrdubblats under de senaste fem åren.

"Det som fungerade för det gamla nätet, kanske inte fungerar i framtiden", säger Abhishek Somani, en PNNL-forskare som ledde den multinationella laboratoriestudien. "I åratal har operatörer använt vattenkraft för nätstabilitet, men omfattningen av vattenkraftens bidrag har inte varit känd utanför den sfären - förrän nu."

Farhållare för ett fjädrande rutnät

2003, en varm augustieftermiddag i Ohio, stötte ett övervuxet träd mot en högspänningsledning och orsakade en avstängning, känd som ett fel. Ytterligare tre fel uppstod när andra linor tog upp slacket och sedan blev överbelastade. Snart utlöste detta regionala avbrott en kaskad av strömavbrott från Michigan till New York, vilket blev det största strömavbrottet i USA:s historia och lämnade 50 miljoner människor i mörkret.

Men i New York kom vattenkraften igång och producerade nästan hälften av statens totala el inom sex timmar efter strömavbrott. Storleken på två av New Yorks största dammar, Niagara och St. Lawrence-FDR, hjälpte staten att stå emot strömavbrottet som hade förskjutit andra typer av kraftverk från nätet.

"Om ett stort kraftverk slocknade eller en löpeld brände en transmissionsledning, ändrar det nätets driftfrekvens och kan orsaka ett fall under det typiska 60 Hz", säger Somani. "Om det inte åtgärdas inom några sekunder kan det leda till omfattande avbrott."

Frekvenssvar är ungefär som att använda en bils farthållare när du går uppför. Motorn varvar för att hålla hastigheten. På samma sätt, när en del av nätet oväntat mörknar, varvar andra kraftverk upp till återfyllning av förlorad effekt och bibehåller frekvensen på 60 Hz. Detta händer på några sekunder. Vi märker inga frekvensfall eftersom tröghet från roterande generatorer, industrimotorer eller turbiner håller lamporna tända medan nätet rampar tillbaka till full hastighet för att möta energibehovet.

I decennier har frekvenssvar från konventionella kraftkällor, såsom kol-, gas- och kärnkraftverk, gett övergripande stabilitet. Men allt det förändras.

I strävan mot koldioxidutsläpp är en stor utmaning med den förnybara revolutionen att upprätthålla nätstabilitet eftersom vind och sol för närvarande inte bidrar med frekvensrespons. Medan tekniken existerar, finns det inga reglerande eller ekonomiska incitament för sol- eller vindkraftsoperatörer att bidra med frekvenssvar tillbaka till nätet.

Vattenkraftens roll i ett motståndskraftigt nät

I april 2018, i Angeles National Forest, Kalifornien, gick en gammal elledningsskarv sönder. Linjen föll ner på tornet, vilket orsakade ett fel och ett strömavbrott som gjorde att en solcellsanläggning blev offline. Detta orsakade ett plötsligt fall i hela nätets frekvens. Vattenkraft i hela västvärlden reagerade omedelbart för att motverka den frekvensförändringen och bidrog med 60 procent av responsen för att stoppa ett potentiellt fritt fall för kraft.

"Vi har alltid vetat att vattenkraften gav ett svar, men omfattningen som det gjorde var överraskande", säger Somani vars team tittade på händelser som den i Angeles National Forest.

Med ett öga på Western Interconnection, den enorma energigenomgång som driver västra USA, visade forskargruppen att vattenkraften redan är positionerad för att stabilisera nätet när strömmen sjunker. Med hjälp av simuleringar och historiska händelser fann de att vattenkraftens bidrag till frekvensresponsen varierade allt från 30 till 60 procent.

Även om vattenkraft tillhandahåller denna tjänst finns det för närvarande inga mekanismer för kompensation.

"Det är inte lätt att sätta en prislapp på värdet av frekvensrespons, men i framtiden kommer vi sannolikt att behöva göra det", sa Somani.

Simulerar värmeböljor, jordbävningar och mer

För att analysera vattenkraftens roll under en rad extrema händelser utvecklade forskargruppen modeller för att simulera vilken roll vattenkraft kan spela under dessa scenarier. Dessa inkluderade väderhändelser, som en värmebölja eller köldknäpp, såväl som förvärrade händelser, som torka.

Om det till exempel inträffade ett oväntat avbrott i en flotta av naturgasanläggningar i Western Interconnect, visade simuleringsresultat att vattenkraften kunde gå in och ge 50 procent av frekvensresponsen – även om den bidrar med ungefär en fjärdedel av den totala effekten. Detta svar är kritiskt eftersom ett omfattande avbrott i naturgasanläggningar skulle få långtgående krusningseffekter i nätet och potentiellt skulle kunna utlösa ett mycket värre avbrott.

En annan simulering visade att om två enheter av Arizonas kärnkraftverk i Palo Verde gick offline och slutade producera kraft, skulle vattenkraft kunna ge mer frekvenssvar än alla andra kraftkällor tillsammans – även om den bara producerar cirka 30 procent av kraften i den regionen.

"Det är välkänt att vattenkraft producerar ren kraft. Det som inte var lika välkänt, kvantifierat eller värderat är omfattningen av dess roll för att säkerställa elnätets motståndskraft", säger Somani.

Forskargruppen, som leds av Somani och består av fem nationella laboratorier, utvecklade ett analysramverk, som kan användas som en ritning för att utvärdera vattenkraftens roll i framtida nätscenarier. I framtiden kommer de även att kunna modellera avbrott orsakade av andra extrema händelser, som jordbävningar och skogsbränder.

Detta arbete stöddes av Department of Energy's Water Power Technologies Office som en del av HydroWIRES-initiativet, som syftar till att förtydliga vattenkraftens framväxande roll som en del av en modern nätinfrastruktur och frigöra dess potential för att optimera nätdriften.

"Vattenkraftens bidrag till nätresiliens," leddes av PNNL, tillsammans med Argonne National Laboratory, Idaho National Laboratory, National Renewable Energy Laboratory och Oak Ridge National Laboratory.