La vecchia rete energetica viene spinta al punto di rottura. Le interruzioni di corrente dovute a condizioni meteorologiche estreme costano da $ 2 miliardi a $ 77 miliardi all'anno. E alcune comunità isolate fanno ancora affidamento sui generatori diesel per l'elettricità, poiché le linee elettriche non li raggiungono. L'espansione della griglia non è un'opzione:nella maggior parte dei casi, l'economia non ha senso.

Laddove la rete principale non è all'altezza, come nelle comunità isolate o quando le luci si spengono a causa di condizioni meteorologiche estreme, le microgrid sono una soluzione per un'alimentazione più resiliente. Questi hub energetici decentralizzati e autosufficienti possono funzionare in modo indipendente o connettersi alla rete più ampia. Eppure un ostacolo persistente è il design della microgriglia. Ottenere il giusto mix di fonti di energia implica complessi compromessi tra tolleranza al rischio, costi e ecologia.

Una nuova ricerca di un team del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) mostra che le microgrid resilienti e iperlocali forniscono un valore economico, se progettate con il giusto mix di fonti di alimentazione. In una serie di studi e in una presentazione alla Conferenza europea sull'energia delle onde e delle maree, il team ha previsto il ruolo che le microreti grandi e piccole possono svolgere nella spinta verso l'energia rinnovabile e resiliente.

Lezioni di microgriglia da una minuscola isola hawaiana

Spinta da un mandato statale, l'isola hawaiana di Moloka'i è alle prese con come passare al 100% di energie rinnovabili entro il 2045. Senza accesso a una rete più ampia e facendo affidamento sul diesel importato, i residenti pagano quasi tre volte di più del costo medio degli Stati Uniti di elettricità. Meno di un terzo di tale energia proviene da fonti rinnovabili, mentre il resto proviene da generatori alimentati a combustibile.

Eppure, le cose che rendono speciali le isole Hawaii, la brezza dell'oceano, il sole e le onde, fanno ben sperare per un test case microgrid. L'obiettivo di Moloka'i di eliminare l'abitudine al consumo di carburante è qualcosa con cui molte altre comunità insulari o rurali si confrontano.

"La progettazione della microgriglia è complicata. Molte comunità non sono organizzate per sviluppare qualcosa del genere", ha affermato Dhruv Bhatnagar, un ingegnere meccanico PNNL che faceva parte del team di ricerca PNNL focalizzato su Moloka'i come parte di una più ampia valutazione di risorse energetiche marine.

Come il rischio ridotto che deriva da un portafoglio di investimenti diversificato, una varietà di fonti di alimentazione aiuta a ridurre il rischio che una microrete non sia in grado di coprire la domanda di energia. Tipicamente, le microgrid includono solare e/o eolica, che caricano le batterie, oltre a un generatore diesel per il backup.

Poiché l'obiettivo di Moloka'i era zero emissioni, i ricercatori hanno previsto cosa sarebbe successo se i generatori diesel esistenti fossero stati sostituiti con energia marina. Se aggiunta al mix di eolico e solare, l'energia marina non solo aumenta la resilienza, ma riduce anche la dipendenza dal carburante.

Per raggiungere l'obiettivo di zero emissioni, il team di ricerca ha scoperto che l'utilizzo dell'energia marina può ridurre la necessità di costruire energia solare ed eolica fino al 50% rispetto all'esclusione dell'energia marina nel portafoglio, oltre a una minore necessità di stoccaggio della batteria. Questa è una buona notizia per le comunità poiché le batterie sono costose. Inoltre, meno enfasi sull'energia solare significa una riduzione dell'uso del suolo. E lo spazio è un grosso problema su una piccola isola.

Microgriglie resilienti per rimbalzare più velocemente, più a lungo

Quando l'uragano Sandy si è schiantato contro la costa orientale nel 2012, il danno è stato così grave che parti di New York e del New Jersey sono rimaste senza elettricità per mesi dopo la tempesta. Eppure una microrete dell'Università di Princeton nel New Jersey ha tenuto accese le luci per i soccorritori e le strutture chiave.

C'è un crescente interesse nella progettazione di microgrid per alimentare cose come ospedali, rifugi o stazioni di polizia durante le emergenze. Tuttavia, il design della microgrid tende a concentrarsi sulla riduzione al minimo dei costi piuttosto che sul miglioramento della resilienza, il che significa rimbalzare rapidamente quando si interrompe l'alimentazione. Ma la soluzione più economica non è sempre la migliore.

"È difficile dare un prezzo alla resilienza", ha affermato Sarah Newman, una scienziata di dati PNNL che ha condotto uno studio per valutare la progettazione di microgrid per le postazioni dell'esercito americano, che devono essere autosufficienti per durate più lunghe. Ad esempio, un ospedale attribuirà maggiore valore a un'energia affidabile e resiliente durante i disastri, rispetto a un proprietario di casa che potrebbe essere in grado di passare alcune ore senza elettricità.

Le microgriglie solari sono in genere alimentate da energia solare abbinata a batterie, con generatori alimentati a combustibile per un backup affidabile. I generatori sono fondamentali per colmare le lacune quando le batterie non sono completamente cariche, come nei giorni nuvolosi, o quando la domanda di energia è elevata e non è possibile risparmiare in eccesso.

Newman e il suo team hanno previsto di tutto, dalle dimensioni ottimali del generatore e della quantità di carburante che avrebbero dovuto immagazzinare, all'utilizzo di energia in diversi tipi di edifici, fino ai modelli solari e alle condizioni meteorologiche in stati diversi.

Hanno scoperto che in alcuni casi i generatori non sono abbastanza grandi da consentire alla microgrid di essere resiliente durante una varietà di situazioni di interruzione. Inoltre, i generatori necessitano fino al 30% di carburante in più rispetto a quanto previsto in precedenza se durante la progettazione non si tiene conto di condizioni meteorologiche estreme. Se quel carburante extra non è previsto, la microrete non sarà in grado di soddisfare la domanda di energia.

"L'interruzione dopo una settimana e mezza potrebbe non essere un'opzione quando una microgrid è il backup per le strutture critiche", ha affermato Newman. "Questo sottolinea quanto sia importante la progettazione di microgrid attorno alla resilienza."

Modellazione di microgriglie

Il lavoro di modellazione svolto da PNNL può aiutare i responsabili delle decisioni a valutare i compromessi e, in definitiva, a progettare microgrid che hanno maggiori probabilità di mantenere le luci accese durante un'emergenza o aree di alimentazione senza accesso a una rete principale. Con il clima estremo legato ai cambiamenti climatici previsto in aumento, la progettazione di microgriglie resilienti continuerà probabilmente ad essere pertinente in futuro.

Il lavoro di modellazione è stato condotto utilizzando la piattaforma Microgrid Component Optimizations for Resilience di PNNL ed è stato finanziato dal Water Power Technologies Office, dalla US Army Reserve e dall'Office of Energy Initiatives dell'esercito.