Det åldrande energinätet drivs till bristningsgränsen. Enbart strömavbrott på grund av extremt väder kostar allt från 2 till 77 miljarder dollar per år. Och vissa isolerade samhällen är fortfarande beroende av dieselgeneratorer för el, eftersom elledningar inte når dem. Nätutbyggnad är inte ett alternativ – i de flesta fall är ekonomin inte vettig.

Där huvudnätet kommer till korta, som i isolerade samhällen eller när ljuset slocknar från extremt väder, är mikronät en lösning för mer motståndskraftig kraft. Dessa decentraliserade, självförsörjande energihubbar kan köras oberoende eller ansluta till det större nätet. Ett kvarstående hinder är dock design av mikronät. Att få rätt blandning av kraftkällor innebär komplexa avvägningar mellan risktolerans, kostnad och att bli grön.

Ny forskning från ett team vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) visar att motståndskraftiga, hyperlokala mikronät ger ekonomiskt värde, om de utformas med rätt blandning av kraftkällor. I en serie studier och en presentation vid European Wave and Tidal Energy Conference förutspådde teamet vilken roll både stora och små mikronät kan spela i strävan mot förnybar och motståndskraftig kraft.

Mikrogridlektioner från en liten hawaiiansk ö

På grund av ett statligt mandat brottas den hawaiianska ön Moloka'i med hur man ska övergå till 100 % förnybar energi till 2045. Utan tillgång till ett större elnät och beroende av importerad diesel betalar invånarna nästan tre gånger mer än den genomsnittliga kostnaden i USA. av el. Mindre än en tredjedel av den kraften kommer från förnybara energikällor, medan resten kommer från bränsledrivna generatorer.

Men de saker som gör Hawaii-öarna speciella - havsbrisen, solen och vågorna - bådar gott för ett testfall med mikronät. Moloka'is mål att ta bort bränsleförbränningen är något som många andra öar eller landsbygdssamhällen brottas med.

"Microgrid-design är komplicerat. Många samhällen är inte inrättade för att utveckla något sådant", säger Dhruv Bhatnagar, en PNNL-mekanikingenjör som ingick i PNNL-forskningsteamet fokuserat på Moloka'i som en del av en större utvärdering av marina energiresurser.

Liksom den minskade risken som kommer från en diversifierad investeringsportfölj, bidrar en mängd olika kraftkällor till att minska risken för att ett mikronät inte kan täcka energibehovet. Vanligtvis inkluderar mikronät solenergi och/eller vind, som laddar batterier, plus en dieselgenerator för backup.

Eftersom Moloka'is mål var noll utsläpp, förutspådde forskare vad som skulle hända om befintliga dieselgeneratorer byttes ut mot marin energi. När den läggs till blandningen av vind och sol ökar marin energi inte bara motståndskraften utan minskar också beroendet av bränsle.

För att uppfylla nollutsläppsmålet fann forskargruppen att användning av marin energi kan minska behovet av att bygga solenergi och vindkraft med upp till 50 % jämfört med att inte inkludera marin energi i portföljen, plus att mindre batterilagring behövs. Det är goda nyheter för samhällen eftersom batterier är dyra. Mindre betoning på solenergi innebär också ett minskat markanvändningsavtryck. Och utrymme är en stor grej på en liten ö.

Fjädrande mikronät för att återhämta sig snabbare, längre

När orkanen Sandy slog in i östra kusten 2012 var skadorna så betydande att delar av New York och New Jersey var utan ström i månader efter stormen. Ändå höll ett mikronät vid Princeton University i New Jersey lamporna tända för räddningspersonal och på nyckelanläggningar.

Det finns ett växande intresse för att designa mikronät för att driva saker som sjukhus, skyddsrum eller polisstationer under nödsituationer. Ändå tenderar mikronätsdesign att fokusera på att minimera kostnaderna snarare än att förbättra motståndskraften, vilket innebär att återhämta sig snabbt när strömmen stängs av. Men den billigaste lösningen är inte alltid den bästa.

"Det är svårt att sätta en prislapp på resiliens", säger Sarah Newman, en PNNL-dataforskare som ledde en studie som utvärderade mikronätdesign för amerikanska arméposter, som måste vara självförsörjande under längre tid. Till exempel kommer ett sjukhus att lägga mer värde på pålitlig, motståndskraftig energi under katastrofer, i motsats till en husägare som kanske kan vara utan ström några timmar.

Solcellsmikronät drivs vanligtvis av solenergi parat med batterier, med bränsledrivna generatorer för tillförlitlig backup. Generatorer är avgörande för att överbrygga luckor när batterierna inte är fulladdade, till exempel molniga dagar, eller när energibehovet är högt och överskottet inte kan sparas.

Newman och hennes team förutspådde allt från optimala generatorstorlekar och hur mycket bränsle de skulle behöva lagra till energianvändning i olika typer av byggnader, och till och med solmönster och väder i olika tillstånd.

De fann att generatorerna i vissa fall inte är tillräckligt stora för att mikronätet ska vara motståndskraftigt under en mängd olika avbrottssituationer. Dessutom behöver generatorerna upp till 30 % mer bränsle än vad som tidigare förutspåtts om extremt väder inte beaktas under konstruktionen. Om det extra bränslet inte är planerat, kommer mikronätet inte att kunna möta energibehovet.

"Att sluta efter en och en halv vecka kanske inte är ett alternativ när ett mikronät är backup för kritiska anläggningar," sa Newman. "Detta understryker hur viktigt det faktiskt är att designa mikronät kring resiliens."

Microgrid-modellering

Modelleringsarbetet som görs av PNNL kan hjälpa beslutsfattare att väga avvägningar och i slutändan designa mikronät som är mer benägna att hålla lamporna tända under en nödsituation eller kraftområden utan tillgång till ett huvudnät. Med klimatförändringsrelaterat extremväder som förväntas klättra, kommer det sannolikt att fortsätta att utforma motståndskraftiga mikronät i framtiden.

Modelleringsarbetet utfördes med hjälp av PNNL:s Microgrid Component Optimizations for Resilience-plattform och finansierades av Water Power Technologies Office, U.S. Army Reserve och Army Office of Energy Initiatives.