I sistemi di generazione distribuita resiliente (DG) diventano sempre più urgenti, generano energia vicino a dove viene consumata, consentendo alle comunità di eventi estremi e ridurre la dipendenza dalle reti centralizzate vulnerabili.

L'imperatrice crescente per la generazione distribuita resiliente

Quando una grande tempesta si abbatte linee di trasmissione, milioni possono perdere energia per giorni o settimane. Nel 2021, Winter Storm Uri ha causato un blackout diffuso in Texas, rivelando come i guasti interconnessi della rete cascata. Generazione distribuita, per contrasto, consente strutture critiche - ospedali, rifugi di emergenza, impianti di trattamento dell'acqua e hub di comunicazione solare non funzionanti.

Oltre alla risposta ai disastri, i sistemi di DG resilienti supportano l’adattamento climatico a lungo termine, possono ridurre le tensioni di picco sulla rete, ridurre le emissioni di gas serra e fornire una potenza di backup più pulita rispetto ai generatori diesel.

Principi di progettazione per la resilienza

La progettazione di un sistema di DG resiliente va oltre l'installazione di pannelli solari o batterie, richiede un approccio sistematico che affronta modalità di guasto, flessibilità operativa e integrazione con l'ambiente costruito.

Redunda

Una sola cosa di guasto, come un singolo inverter o una singola fonte di carburante, può distruggere il sistema. Le configurazioni ridondanti includono l'accoppiamento del fotovoltaico solare (PV) con il vento o l'idro piccolo, lo stoccaggio della batteria di stratificazione sopra un generatore di gas naturale, o il collegamento di più microgridi per condividere l'energia. L'obiettivo è quello di garantire che se un componente non riesce, meno può portare a pieno il carico essenziale.

Modularità

I componenti modulari consentono di aggiungere capacità incrementali, una manutenzione più semplice e riparazioni più veloci. Invece di un singolo generatore di grandi dimensioni, una serie modulare di unità più piccole può essere suddivisa singolarmente. Questo principio si estende a inverter, switchgear e controlli. I sistemi modulari sono anche più facili da aggiornare come la tecnologia si evolve.

Flessibilità

Un sistema di RG deve adattarsi alle diverse condizioni: cambiamenti di carico, tempo, disponibilità di carburante e stato della griglia. La flessibilità è ottenuta attraverso controlli versatili, configurazioni ibride e la capacità di isolare (sconnettersi dalla rete principale) o riconnettersi senza soluzione di continuità. I controller Microgrid che possono passare tra modalità a griglia e standalone sono essenziali. Flessibilità significa anche che il sistema può accettare nuove risorse, come caricatori di veicoli elettrici o batterie aggiuntive.

Robuste infrastrutture

I pannelli solari devono essere valutati per carichi eolici elevati e resistenza alla grandine; i rack di montaggio devono essere resistenti alla corrosione. Le custodie della batteria richiedono una gestione termica per mantenere le temperature operative sicure. Nelle aree di alluvione-prone, le attrezzature devono essere elevate o impermeabilizzate. Mentre l'infrastruttura robusta ha costi più elevati, evita costose riparazioni e estesi fuoriuscimenti dopo un disastro.

Controlli intelligenti

I sistemi di controllo avanzati, spesso incorporando intelligenza artificiale e machine learning, consentono il monitoraggio in tempo reale, il rilevamento dei guasti e le risposte automatizzate. I controlli intelligenti possono ottimizzare la ricarica e lo scarico di storage, gestire la qualità della potenza e priorità dei carichi durante un'interruzione. Inoltre, facilitano la risposta della domanda, riducendo i carichi non critici quando l'offerta è stretta.

Tecnologie chiave che migliorano la resilienza

Diversi settori tecnologici guidano le prestazioni e l'affidabilità dei moderni sistemi DG, ognuno affronta aspetti specifici della resilienza, dal buffering energetico al funzionamento autonomo.

Conservazione dell'energia

Durante le interruzioni della griglia, l'energia immagazzinata può alimentare carichi per ore o anche giorni, a seconda della capacità. Lo stoccaggio inoltre leviga la variabilità del solare e del vento, riducendo il rischio di immersione di energia.

Microgriglie

Un microgrid è un gruppo localizzato di fonti di energia elettrica e carichi che possono operare indipendentemente dalla rete principale. È l'architettura della DG resiliente archetipica. Microgridi può servire un singolo edificio, un campus, o un intero quartiere. Essi utilizzano i controller isolanti per disconnettere pulitamente e poi sincronizzare dimostra quando la rete di energia ritorna.

Integrazione rinnovabile

La combinazione di energia solare, vento, idroelettrica e anche biomassa crea un sistema ibrido che può produrre energia sotto diversi modelli meteorologici. Ad esempio, un'installazione a vento solare nel Midwest può generare energia anche quando il sole non è brillante, perché il vento spesso raccoglie di notte. I sistemi ibridi riducono anche le dimensioni di stoccaggio necessari, abbassando i costi.

Previsione avanzata

Le previsioni meteorologiche e la domanda consentono ai sistemi DG di prepararsi ad eventi estremi. Le previsioni del carico integrano dati storici, condizioni di griglia in tempo reale e modelli meteorologici per prevedere picchi e valli. La previsione dell'irraggiamento solare utilizza immagini satellitari e telecamere del cielo per anticipare i minuti di copertura del cloud in anticipo. Queste previsioni si alimentano nel sistema di controllo, che può pre-caricare batterie o programmare la manutenzione durante le finestre a basso rischio.

Sistemi di gestione delle risorse energetiche (DERMS)

Le piattaforme DERMS coordinano grandi flotte di asset DG in una regione, consentendo alle centrali virtuali (VPP) di fornire servizi di rete e di alimentazione di backup. DERMS ottimizzano la spedizione di singole unità, l'offerta di equilibrio e la domanda, e comunicano con sale di controllo dell'utilità. Supportano anche l'aggregazione per i mercati all'ingrosso, consentendo ai proprietari di piccole DG di guadagnare.

Case Studies in Resilient Distributed Generation

Diversi progetti pionieristici illustrano come i principi e le tecnologie sopra descritte siano applicati in pratica.

Microgriglie di fuoco della California

Durante i devastanti incendi, Pacific Gas and Electric (PG&E) ha implementato gli spegnimenti di potenza di sicurezza pubblica (PSPS) per prevenire incendi a griglia. In risposta, comunità come la città di Mendocino hanno costruito microgriglie che possono isolare durante gli eventi PSPS. Il microgrid Mendocino combina una serie di 2,5 MW solari con 6.5 MWh di stoccaggio della batteria, servendo 1.200 clienti.

Brooklyn Microgrid: il trading energetico di Peer‐to-Peer

A Brooklyn, New York, un microgrid basato sulla comunità utilizza la tecnologia blockchain per consentire il trading energetico locale. I residenti con il tetto solare possono vendere energia in eccesso ai vicini, anche durante le interruzioni della rete. I controller del sistema automaticamente isola quando la rete principale fallisce, permettendo l'algoritmo locale di esportazione solare e storage di mantenere una parte della comunità online.

Rico Rico Rico Ricostruzione Solar-Plus-Storage

Dopo l’uragano Maria nel 2017, la rete di Porto Rico è stata devastata. Nel ricostruire, il governo e le ONG hanno privilegiato il solare e lo stoccaggio distribuito, soprattutto per le strutture critiche come ospedali e centri comunitari. Il “Resilient Power Program” installato sistemi di copertura con backup della batteria in oltre 300 posizioni. Questi sistemi sono dimensionati per operare indefinitamente con una luce solare adeguata, fornendo ridondanza per i servizi essenziali.

Microgriglie in rete in Australia nelle zone di Bushfire

Le utilities australiane come Ausgrid e Endeavour Energy stanno implementando microgriglie con capacità di isolamento in regioni soggette a incendi e calore estremo. Un progetto del genere nelle Blue Mountains utilizza solare, batteria e un generatore diesel di backup per servire una piccola comunità che precedentemente si basava su linee di trasmissione lunghe attraverso la foresta di rischio antincendio. Il controller microgrid può operare indipendentemente fino a tre giorni con un minimo di sole.

Fattori economici e politici

I sistemi DG Resilienti non esistono in un vuoto politico, la loro redditività dipende da regolamenti di sostegno, incentivi e meccanismi di finanziamento.

Incentivi e sovvenzioni

I crediti fiscali per gli investimenti federali (ITC) per il solare e lo stoccaggio, i riduzioni di livello statale e le sovvenzioni da parte di agenzie come il Dipartimento di Energia o FEMA possono ridurre significativamente i costi di anticipo. La legge sugli investimenti e sui lavori di infrastruttura (2021) ha stanziato miliardi per la resilienza della rete, compreso il dispiegamento di microgrid nelle comunità sottoservate. Molti stati hanno adottato il Valore delle tariffe di Risilienza che compensano i proprietari della DG per la capacità di approvvigionamento per le enormi per le capacità di approvvigionamento per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le infrastrutture per le aree di valutazione delle aree di emergenza per le quali i costi di copertura delle isole durante le catastrofi devono riflettere.

Standard di interconnessione

Per un sistema DG per l'isola e la riconnettersi in modo sicuro, deve rispettare i requisiti IEEE 1547-2018 e locali di utilità.Questi standard specificano le tolleranze di tensione e frequenza, il rilevamento anti-islanding e i protocolli di comunicazione.

Resilienza come servizio (RaaS)

I modelli di finanziamento di terzi, dove uno sviluppatore possiede e gestisce il sistema DG e vende resilienza al cliente, stanno guadagnando trazione. RaaS elimina la necessità di grandi incassi di capitale e trasferimenti di rischio operativo. I contratti spesso garantiscono un certo livello di capacità di backup e uptime. Questo modello ha avuto un successo particolarmente per le strutture commerciali e industriali che cercano di evitare interruzioni aziendali.

Prospettive future

L'intelligenza artificiale svolge un ruolo maggiore nell'ottimizzazione delle operazioni in tempo reale, prevenendo i guasti prima che accadano, e riconfigurando automaticamente la rete per una minima disgregazione. I gemelli diesel digitali a guida al AI di microgrids possono simulare centinaia di scenari di guasti per identificare punti deboli.

Il concetto di “risilienza come servizio di rete” potrebbe portare le utility a pagare i proprietari della DG per mantenere i loro sistemi pronti per l’isolazione. Standard come IEEE 2030.13 guiderà l’integrazione di più microgriglie in un “griglia di microgridi”, fornendo resilienza su scala urbana.

Gli ingegneri, i pianificatori e i responsabili politici devono collaborare per incorporare la resilienza in ogni nuovo progetto energetico. Il costo dell'inazione è misurato non solo in dollari, ma in tempo di recupero di vite e comunità. Progettare con ridondanza, modularità, flessibilità, robuste infrastrutture e controlli intelligenti, possiamo costruire solo sistemi di tempestività che sopravvivono a un'infrazione.