Op de middag van 22 oktober 2007 ontving de Universiteit van Californië, San Diego, een noodoproep van het plaatselijke nutsbedrijf. Regionale bosbranden hadden de elektriciteitsleidingen beschadigd en uitgeschakeld en de netbeheerder in Californië had een noodsituatie voor energietransmissie verklaard. San Diego Gas & Electric vroeg de universiteit om de hoeveelheid elektriciteit die ze van het net trok te verminderen en, indien mogelijk, stroom te gaan genereren voor gebruik door andere klanten van nutsbedrijven.
Binnen 10 minuten kwam de campus van 4 megawatt elektriciteit uit het elektriciteitsnet naar 3 megawatt, zegt Byron Washom, directeur van Strategic Energy Initiatives voor UCSD. "Die 7 megawatt was de flinterdunne marge tussen het San Diego Gas & Electric-net dat overbleef of instortte."
De campus van San Diego was in staat om zo snel te reageren, gedeeltelijk omdat de oprichters een halve eeuw eerder hadden besloten om de basis te leggen voor een zelfvoorzienende stroomvoorziening, of wat energiedeskundigen tegenwoordig een 'microgrid' noemen. campus in 1962 was een centrale energiecentrale ontworpen om gasgestookte elektriciteit te leveren, evenals stadsverwarming en -koeling voor de gebouwen van de school. Dat op zichzelf was en is niet ongebruikelijk voor een academische of zelfs een bedrijfscampus. Maar door de jaren heen verwierf UCSD zelfvoorziening door stoomturbines, fotovoltaïsche zonnepanelen, brandstofcellen en energieopslag toe te voegen, naast het installeren van hoogspanningsleidingen om elektriciteit van en naar het elektriciteitsnet van SDG & E te transporteren.
Al deze middelen werken nu onder de controle van een geavanceerd energiebeheersysteem, en de campus microgrid stelt de universiteit in staat om zonodig elektriciteit te genereren, op te slaan en te verzenden - uiteindelijk met 92 procent van de elektriciteit die op de campus wordt gebruikt. Hoewel de universiteit normaal elektriciteit haalt uit het SDG & E-net om aan zijn ruwweg 38 megawatt-belasting te voldoen, kan de universiteit ook overschakelen naar de "eilandmodus" in het geval van stroomproblemen of uitval buiten de campus en aan al zijn eigen elektriciteitsbehoeften voldoen. En wanneer elektriciteit schaars is op het elektrische hoofdnet voor San Diego, kan UCSD stroom verkopen aan SDG & E.
In reactie op de noodoproep van 2007 stak de universiteit een stoomturbine van 3 megawatt aan en verminderde de stroombehoefte door de instellingen van de klimaatregeling aan te passen en schakelde hij over op koud water voor zijn koelsysteem uit zeer efficiënte thermische opslagtanks in plaats van elektrische koelmachines. "Met twee muisklikken, met ons besturingssysteem, kunnen we 4.000 thermostaten op de campus veranderen, " zegt Washom.
UCSD en andere microgrid-exploitanten bieden een moderne kijk op de kleine gelijkstroomvoedingssystemen die vanaf de jaren 1870 in fabrieken en stadscentra zijn geïnstalleerd. Net als die vroege systemen, zijn deze nieuwe ontwerpen voorzien van lokale opwekking en distributie van elektriciteit in plaats van de langeafstandstransmissielijnen en op afstand gecentraliseerde centrales die het elektriciteitsnet van de 20e eeuw kenmerkten. “We deconstrueren momenteel het elektriciteitsnet, terug naar [Thomas] Edison, ” zegt Jim Reilly, wiens adviesbureau Reilly Associates het Department of Energy adviseert over microgrid-bedrijf.
De wortels van deze deconstructietrend gaan terug tot het einde van de jaren negentig, toen het Amerikaanse ministerie van Energie besloot om snel een begin te maken met onderzoek naar krachtoverbrenging en betrouwbaarheid. De stap kwam als reactie op de deregulering van elektriciteit en de anticipatie op een komende golf van zonnepanelen op het dak en andere vormen van gedecentraliseerde energieopwekking. "We hadden op dat moment niet echt een concept van 'microgrids' op zich", zegt Chris Marnay, een van de pioniers van microgrid-onderzoek. Het idee om lokaal energie op te wekken was oud. Maar het vergde vooruitgang in bedieningselementen en vermogenselektronica om een echt microgrid mogelijk te maken dat kon communiceren met en 'eiland' van het grotere stroomnet. Binnen een paar jaar formaliseerde de onderzoeksgroep van Marnay van Lawrence Berkeley National Laboratory het idee van een microgrid in een project voor de California Energy Commission.
De voordelen van UCSD's microgrid - behendigheid en zelfvoorziening - zijn nu in trek bij energiegebruikers die ernstige gevolgen riskeren in het geval van stroomonderbrekingen, zoals universiteiten met gevoelige laboratoriumapparatuur, militaire bases met wapenbeheersystemen en datacenters enorme hoeveelheden informatie. "Het zijn de faciliteiten die abnormaal hoogwaardige stroom willen waar we de meeste actie op dit moment zien", zegt Marnay, die in juni met pensioen ging bij de Grid Integration Group van Berkeley Lab.
Extreme weersomstandigheden in de afgelopen jaren, zoals orkaan Sandy, hebben zakelijke, militaire en politieke leiders herinnerd aan de kwetsbaarheid van de elektriciteitsinfrastructuur in de Verenigde Staten. "De toenemende frequentie van natuurrampen zorgt voor een sterkere interesse in microgrid en back-up power-oplossingen", zegt Brian Carey, die leiding geeft aan de Amerikaanse cleantech-adviespraktijk voor accountantskantoor PricewaterhouseCoopers, bekend als PwC.
Een $ 71 miljoen microgrid gebouwd op het hoofdkantoor van de Amerikaanse Food and Drug Administration, bijvoorbeeld, leverde stroom aan de campus tijdens en na orkaan Sandy toen het regionale elektriciteitsnet uitviel. In maart 2011 bleef de Sendai Microgrid, gelegen op de campus van de Tohoku Fukushi University in Sendai City, Japan, stroom en warmte leveren aan klanten nadat de verwoestende aardbeving in Tohoku en de tsunami de stroomvoorziening in de omliggende regio hadden afgebroken.
Hoewel veerkracht al lang de sleutel is tot de aantrekkingskracht van microgrids voor faciliteiten met kritische stroombelastingen, brengen verschuivende energieprijzen en technologische vooruitgang nu microgrids binnen bereik voor steden en buurten die lokale controle over hun stroomvoorziening of schonere energie willen dan die aangeboden door hun nut.
Fotovoltaïsche zonnepanelen kosten nu 80 procent minder dan in 2008. Het adviesbureau McKinsey & Company voorspelt dat de prijzen voor lithium-ionbatterijen tegen 2020 kunnen dalen tot $ 200 per kilowattuur, van vandaag ongeveer $ 500- $ 600 per kilowattuur. Voorzieningen die microgrids bouwen, kunnen ook jaar na jaar geld besparen door minder elektriciteit te kopen bij hun lokale nutsbedrijf of, in sommige gevallen, stroom aan het hulpprogramma te verkopen wanneer de voorraad krap is.
"Het kan een aanzienlijke kostenbesparing zijn als een universiteit of ziekenhuis daadwerkelijk stroom kan verkopen op basis van de realtime marktprijzen voor stroom, niet alleen tegen het tarief dat ze normaal zouden betalen", zegt Carey, van PwC. "Prijzen kunnen dramatisch schommelen, van 15 tot 20 cent per kilowattuur tot enkele cijfers dollar per kilowattuur."
Volgens Byron Washom van UCSD bespaart de universiteit $ 800.000 per maand op haar energierekeningen door 92 procent van de elektriciteit die ze verbruikt te genereren. De FDA zegt dat haar campus microgrid het agentschap jaarlijks $ 11 miljoen bespaart aan energiegerelateerde kosten.
Snel rijpende technologie maakt een betere integratie en optimalisatie van microgrid-componenten mogelijk. Washom merkt bijvoorbeeld op dat verbeterde tools voor het voorspellen van zonne-energie het energiebeheersysteem van de campus informeren wanneer batterijen moeten worden opgeladen of ontladen. "We zijn getuige van superieure controlesystemen die zowel een microgrid kunnen beheren als een hele faciliteit, " zegt hij. "Er is een hele reeks nieuwe tools die opkomen voor de manier waarop u uw aanbod, uw vraag, uw opslag en uw import beheert." Binnenkort zullen Washom, energiemanagers om de paar minuten de gereedheid van de activa van het systeem beoordelen om te anticiperen op of reageren op veranderende omstandigheden.
Hoewel technologie vooruit snelt, zeggen experts echter dat nieuw beleid nodig is om de acceptatie van microgrids te bespoedigen. Marnay zegt dat het huidige Amerikaanse beleid op staats- en federaal niveau individuele energietechnologieën bevordert, zoals zonne-, wind- en energieopslag, maar dat er meer ondersteuning nodig is voor de inzet van deze technologieën in complexe systemen zoals microgrids.
Het ministerie van Energie werkt al samen met lokale en overheidsfunctionarissen om militaire microgrid-ontwerpen aan te passen voor civiele toepassingen. In New Jersey bijvoorbeeld, waar orkaan Sandy het openbaar vervoer heeft uitgeschakeld en sommige inwoners een week of langer zonder stroom heeft achtergelaten, werkt DOE samen met het agentschap voor doorvoer van de overheid om een microgrid te ontwerpen dat zou helpen elektrisch aangedreven treinen te laten rijden tijdens een natuurlijke ramp.
De energieafdeling is ook begonnen een actievere rol te spelen bij het vaststellen van normen voor het ontwerp en de werking van toekomstige microgrids, evenals hun integratie met bestaande stroominfrastructuur. Zelfs de definitie van wat een microgrid maakt, verandert: de schaal kan de komende jaren oplopen tot 60 megawatt. Een groep experts van het bureau ontwikkelt een plan voor een microgrid-systeem op commerciële schaal dat uitvaltijden met meer dan 98 procent kan verminderen tegen een prijs die vergelijkbaar is met een door diesel aangedreven back-upvoeding, terwijl de uitstoot wordt verminderd en de energie-efficiëntie van het systeem wordt verbeterd door: ten minste 20 procent tegen 2020.
Standaardisatie, zegt Carey, moet het projectontwikkelingsproces stroomlijnen, de kosten verlagen en de toegang tot financiering verbeteren door het voor banken gemakkelijker te maken om risico's te evalueren. "Het hebben van gespecialiseerde engineering voor elke microgrid is uiteraard een zeer dure propositie en een grote last voor hun inzet", zegt Marnay.
Uiteindelijk dreigen microgrids het gecentraliseerde generatie- en distributiemodel dat al meer dan een eeuw het Amerikaanse elektriciteitssysteem domineert te verhogen en nutsbedrijven zijn traag in het omarmen van het nieuwe model. "Nutsbedrijven zien microgrids als een bedreiging voor hun inkomstenstromen", zegt Carey. Maar de voordelen van het hebben van voedingen die zich naar behoefte kunnen afsplitsen of synchroniseren met het traditionele net, winnen steeds meer aan nutsbedrijven zoals SDG & E. Carey zegt: "Het zou hen in staat moeten stellen het netwerk stabieler te houden."
