Hajautetut sähköverkot – Energian turvallisuuden tulevaisuus

Monia pitää hajautettuja sähköverkkoja parhaana vaihtoehtona energian turvallisuuden parantamiseksi. Nämä verkot vahvistavat perinteistä verkkoinfrastruktuuria hyödyntämällä yhteisöpohjaisia energialähteitä keskitettyjen voimalaitosten rinnalla. Tässä on, miten MIT:n insinööritehdas pyrkii parantamaan hajautettuja sähköverkkoja ja auttamaan kotien energian saantia tulevaisuudessa.

Sähkökatkokset lisääntyvät

Raportit osoittavat, että sähkökatkokset ovat globaalisti lisääntyneet useista syistä. Huoltamattomuus ja ylläpidon puute aiheuttavat vanhenevan järjestelmän ja heikentyneen suorituskyvyn monilla alueilla. Lisäksi vakavat sääolosuhteet ovat yhä todennäköisempiä kuin aiemmin, mikä lisää vanhan infrastruktuurin rasitusta.

Toinen sähkökatkoksiin vaikuttava tekijä, josta moni ei koskaan ajattele, on siirtyminen uusiutuviin energialähteisiin. Aurinkopaneelit ovat esimerkkejä järjestelmistä, jotka tarjoavat edullista energiaa, mutta joilla on aikoja ja tilanteita, jolloin ne eivät pysty tuottamaan mitään.

Yöllä tai pitkittyneinä pilvisinä jaksoina aurinkojärjestelmät eivät pysty tarjoamaan yhteisöjen tarvitsemia energiamääriä. Toisin kuin perinteiset sähkökatkokset, uusiutuvan energian tuotannon ennustettavat aukot (kuten pilviset päivät tai yöt auringolle) voidaan lieventää koordinoimalla verkon reunalaitteita kulutuksen ja jakelun säätämiseksi reaaliajassa..

Sähkökatkoksen tilastot

Vuoden 2023 American Housing Survey valaisi, kuinka vakavaksi energiakriisi on kehittynyt. Raportti osoitti, että vähintään yksi neljästä Yhdysvaltain kotitaloudesta on kokenut sähkökatkon viimeisen vuoden aikana. Lisäksi se paljasti, että yli 70 % haastatelluista koki katkoksen yli 6 tuntia.

Mielenkiintoista on, että tilastot paljastavat, että maaseutualueet kokevat todennäköisemmin pitkiä sähkökatkoja. Kuitenkin se korosti tiettyjä kaupunkeja, kuten Detroitia, jotka kärsivät epätavallisen suurista katkoista huonon infrastruktuurin ja muiden tekijöiden vuoksi.

Globaalit huolenaiheet

Voit nähdä tämän ongelman kasvavan eksponentiaalisesti tarkastellessasi globaaleja katkoja. On monia tapauksia, joissa kokonaiset kansakunnat ovat joutuneet pimeyteen päivien ja jopa viikkojen ajan. Yhdessä tapauksessa Kuuban vanhentunut sähköverkko pettää, jättäen yli 10 miljoonaa ihmistä ilman virtaa päiviksi.

Paikalliset sähköverkot kehittyvät

Kun ajattelet paikallista sähköverkkoasi, todennäköisesti kuvittele keskitetyn voimalaitoksen, alajaamien ja siirtojohtojen verkoston. Tämä infrastruktuuri on edelleen yleisin, mutta se on kokenut merkittäviä muutoksia kotielektroniikan kehittymisen myötä.

Lähde – MIT

Verkon reunalaitteet

Verkon reunaa tarkoittavat laitteet, jotka sijaitsevat kaukana keskitetystä virtalähteestä. Näillä laitteilla on usein kehittyneitä ominaisuuksia, kuten kyky tuottaa energiaa, varastoida sitä ja säätää toimintaansa. Verkon reunalaitteisiin kuuluvat asuinrakennusten aurinkopaneelit, akut, sähköajoneuvot, lämpöpumput, vesivaraajat ja IoT‑laitteet (Internet of Things).

Hajautetut energialähteet (DER:t)

Hajautettujen energialähteiden kasvava käyttö luo uusia mahdollisuuksia markkinoilla. Nämä älylaitteet tarjoavat kyvyn valvoa, ohjata, kommunikoida ja toteuttaa toimintoja. Tämä joustavuus on se, mitä MIT:n insinööritiimi pyrki hyödyntämään viimeisimmässä strategiassaan verkon kestävyyden parantamiseksi, kyberhyökkäyksiä vastaan ja verkon vakauttamiseksi.

Hajautettujen sähköverkkojen tutkimus

Äskettäin julkaistu tutkimus National Academy of Sciences -lehdessä, nimeltään “Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets“¹ esittelee uuden viitekehyksen reunalaitteiden hyödyntämiseksi verkon kestävyyden turvaamiseksi erilaisissa skenaarioissa. Uusi järjestelmä hyödyntää koordinoituja verkon reunalaitteita verkon tasapainottamiseksi tai tukemiseksi.

IoT-laitteet

Tutkimuksen ytimessä on IoT‑laitteiden (Internet of Things) käyttö. Jotta laite kelpaa IoT‑laitteeksi, sen on oltava varustettu anturilla ja pystyttävä lähettämään dataa internetiin. Huomionarvoista on, että maailmassa on tällä hetkellä miljardeja näitä älylaitteita. Siksi tutkijat keskittyivät näiden laitteiden hyödyntämiseen, sillä niiden odotetaan muodostavan suurimman osan reunalaitteista seuraavan viiden vuoden aikana.

Strategiassa kotitaloudet tilaisivat liittyä alueelliseen markkinaan. Tämä tilaus tekisi heidän IoT‑laitteistaan kelpoisia mikroverkkoon. Kun laitteet on hyväksytty, ne pystyvät koordinoimaan virtankulutusta ja jakelua, jonka määrää insinöörien kehittämä oma algoritmi.

EURIEKA (Tehokas, Ultra‑Kestävä, IoT‑koordinoidut omaisuudet)

EURIEKA‑algoritmi on insinöörien tutkimuksen ydin. Algoritmi skannaa verkon osallistuvien reunalaitteiden varalta. Se sitten päättää, lisätäänkö energiaa verkkoon vai vähennetäänkö IoT‑laitteiden kulutusta ennalta määritettyjen kriteerien perusteella. Algoritmin tehokkuus perustuu siihen, että se on räätälöity kunkin paikallisen sähkömarkkinan mukaan.

Operaattori

Paikalliset markkinaoperaattorit näyttelevät keskeistä roolia tässä lähestymistavassa. Jokaisella markkinalla on operaattori, jonka tehtävänä on hallita ja kommunikoida verkon osallistujien ja muiden operaattorien kanssa. He ovat solmut, jotka käynnistävät EURIEKA‑algoritmin ja varmistavat sen oikean toiminnan.

Luottamuksen rakentaminen

Ensimmäinen askel prosessissa on luottamuksen rakentaminen. IoT‑laitteita on niin paljon, että on ratkaisevan tärkeää, että järjestelmä toimii vain tarkastettujen ja hyväksyttyjen laitteiden kanssa turvallisuusriskien välttämiseksi. Algoritmi voi itsenäisesti tarkistaa ja hyväksyä luotettavat IoT‑laitteet, määrittäen parhaan yhdistelmän, jolla voidaan tehokkaasti lievittää sähkökatkoksia ja vakauttaa järjestelmä.

Paikallinen sähkömarkkina

Osa tästä strategiasta luo paikallisen energiamarkkinan, jossa IoT‑osallistujat voivat ansaita palkintoja panoksestaan. Järjestelmä seuraa automaattisesti jokaisen osallistujan toimia ja maksaa tuottoja heidän energiapanosistaan. Merkittävää on, että insinöörit ovat keksineet useita tapoja, joilla verkon osallistujat voisivat saada korvauksia, aina suoraan maksuihin asti laskukrediitteihin.

Hajautettujen sähköverkkojen testaus

MIT:n insinöörit käyttävät erilaisia laitteita ja algoritmeja testatakseen uutta lähestymistapaansa. Erityisesti insinöörit hyödynsivät käyttöystävällistä simulaattoria, reaaliaikaista laitteistoon liitettyä validointia ja yhteissimulaatioalustaa.

Sähköverkon algoritmi

Testaus sisälsi useita skenaarioita, jotka vaihtelivat virtakatkosten tilanteiden mukaan. Skenaariot ottivat huomioon vikoja jokaisella järjestelmän tasolla. Joissakin tapauksissa häviö oli vain 5 %:a. Toisissa tapauksissa verkko koki katastrofaalisia vikoja jopa 40 %:iin.

Verkon hyökkäysskenaariot

Tutkijat testasivat järjestelmää merkittävää kyberhyökkäystä vastaan. Tässä skenaariossa tiimi kuvitteli, että älykäs termostaatti hakkeroitiin. Hakkeroidut laitteet nostettiin maksamaan verkon rasitusta vaarallisiin tasoihin. Tämä lisätty rasitus aiheuttaisi perinteisen sähköverkon pettämisen. Kuitenkin verkon reunajärjestelmät osoittautuivat kestäviksi.

Luonnonkatastrofit

Tiimi testasi verkkoaan myös sääilmiöitä vastaan. He kuvittelivat merkittävän luonnonkatastrofin, joka aiheutti suuren osan siirtojohdoista vaurioitumisen. Tämä skenaario on yleinen maailmanlaajuisesti, sillä merkittävät luonnonkatastrofit ovat yhä yleisempiä.

Hajautettujen sähköverkkojen testitulokset

Algoritmin testaus osoitti, että verkon reunalaitteiden verkostot voivat täydentää energiahäviöitä erilaisista hyökkäyksistä. Järjestelmä onnistui vakauttamaan verkon säätämällä verkon topologiaa. Lisäksi uusi algoritmi voi automaattisesti määrittää, mitkä laitteet ovat luotettavia ja mitkä niiden kyvyt ovat.

Hajautettujen sähköverkkojen hyödyt

Hajautetut sähköverkot tuovat markkinoille monia etuja. Yksi niistä on räätälöity energian tuotanto, joka ottaa huomioon jokaisen laitteen kulutuksen tehokkuuden lisäämiseksi. Tämä järjestelmä on vihreämpi ja kestävämpi vaihtoehto nykytilanteelle.

IoT-laitteet ovat kaikkialla

Toinen etu on IoT‑laitteiden käyttö. Miljardeja näitä yksiköitä on sijoitettuna maailmanlaajuisesti, ja niillä on potentiaalia auttaa sähköverkkojen vakauttamisessa. Tämä strategia huomioi niiden kyvyt ja hyödyntää niitä yhdessä luodakseen kestävämmän sähköverkon, joka pystyy käsittelemään äärimmäisiä olosuhteita ilman vikoja.

Täyttää uusiutuvan energian aukot

Tuulivoima ja aurinkoenergia ovat erinomaisia puhtaan energian lähteitä. Niillä on kuitenkin aikoja, jolloin ne eivät pysty tuottamaan tarvittavaa sähköä kotien lämmittämiseen. Näissä skenaarioissa insinöörit näkevät verkon reunalaitteiden astuvan kuvaan ottamaan ylimääräisen työkuorman.

Kannattava

Yksi tämän strategian mahdollisista eduista on dynaaminen paikallinen sähkömarkkina, jossa osallistujat voisivat saada korvauksia panoksestaan. Vaikka MIT:n tutkijat ehdottavat tätä konseptia, tarkat taloudelliset kannustimet, kuten laskukrediitit tai maksut, riippuvat markkinoiden toteutuksesta ja sääntelykehyksistä. Olisi mukavaa saada ilmainen kuukauden sähkö, koska edellisen kuukauden aikana älykäs jääkaappisi ja termostaattisi tekivät osansa verkon vakauttamiseksi.

Hajautettujen sähköverkkojen tutkijat

Hajautetun sähköverkon tutkimuksen on esittänyt MIT:n insinööritehdas. Julkaisussa pääkirjoittajina mainitaan Vineet Nair ja John Williams. Tutkimusta on myös yhteiskirjoittanut Anu Annaswamy. Merkittävää on, että se sai rahoitusta Indian Institute of Technologylta, National Renewable Energy Laboratorylta, Yhdysvaltain energiaministeriöltä ja MIT Energy Initiativelta.

Tämä tutkimus laajentaa johtavan tutkijan Nairin aikaisempaa työtä adaptiivisen ohjausteorian alalla. Adaptiivinen ohjausteoria keskittyy järjestelmiin, jotka pystyvät havaitsemaan ja korjaamaan ongelmia automaattisesti ilman ihmisen puuttumista. Tämä uusin protokolla sopii tähän tutkimukseen ja voisi joskus auttaa pitämään kodit energisoituina ympäri vuoden.

Energiaratkaisuissa johtavat yritykset

Kilpailu tarjota markkinoille kestävimpiä energiaratkaisuja on johtanut useiden avainpelaajien esiinmarssiin. Nämä yritykset ovat investoineet miljoonia R&D:hen energian tuotannon ja jakelun parantamiseksi markkinoilla. Tässä on yksi yritys, joka on ihanteellisesti asemoitunut hyödyntämään mahdollisia sähköverkon parannuksia.

Duke Energy Corp

Duke Energy Corp (DUK ) tuli markkinoille vuonna 1904 vesivoimala-yrityksenä Catawba-joella. Yrityksen perusti James Buchanan Duke ja Benjamin Newton Duke, ja sen pääkonttori sijaitsee Charlotteissa, Pohjois-Carolinassa. Perustamisestaan lähtien Duke Energy Corporation on kasvanut merkittävästi. Nykyään se on yksi Yhdysvaltojen suurimmista sähköyhtiöistä.

Duke Energyn nousu markkinajohtajaksi tapahtui vuosikymmenten, yritysostojen ja markkinaliikkeiden myötä. Vuonna 1997 yritys fuusioitiin PanEnergy Corporationen kanssa laajentaakseen tarjontaansa. Sitten, vuonna 2005, Duke Energy hankki Cinergy Corporationen, mikä lisäsi markkina-asemaa keskeisissä osavaltioissa.

Nykyään Duke Energy on edelleen markkinajohtaja energian tuotannon alalla. Yritys jatkaa innovointia ja uusien teknologioiden integrointia osana strategiaansa tarjota asiakkailleen luotettavaa ja edullista energiaa.

Sen asema ja historia mahdollistaisivat Duke Energyn integroida verkon reunatutkimuksen löydökset parantaakseen tarjontaansa. Täten DUK nähdään vahvana lisäyksenä mihin tahansa salkkuun.

Uusimmat Duke Energy Corp

Hajautettujen sähköverkkojen tulevaisuus

On edelleen monia esteitä, jotka insinöörit tunnistavat täytettäväksi menestyksen saavuttamiseksi. Ensinnäkin järjestelmä vaatii asiakkaiden ja yritysten liittymistä verkkoon. Tämän jälkeen heidän on suostuttava tiettyjen laitteiden integrointiin, jotta järjestelmä voi syöttää energiaa takaisin verkkoon ja seurata heidän toimintaansa. Kaikki nämä vaiheet edellyttävät massojen kouluttamista sekä edullisten ja helposti saatavilla olevien ratkaisujen tarjoamista.

Sähköverkon kestävyyden saavuttaminen

Täytyy antaa tunnustusta tälle luovien ajattelijoiden tiimille heidän ainutlaatuisesta lähestymistavastaan. Heidän konseptinsa hyödynsi helposti saatavilla olevia verkon reunalaitteita koko järjestelmän vakauttamiseksi. Tämä strategia on järkevä, ei vaadi suuria kustannuksia tai verkon muutoksia, ja hyödyntää nykyisiä massiivisia IoT-verkkoja. Näin ollen voit odottaa, että hajautettuihin sähköverkkoihin kohdistuva tutkimus jatkuu.

Lue muista Viileistä energiahankkeista Nyt

Tutkimusviite:

^{1. V.J. Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, P.S. Sarker, A. Srivastava, L.D. Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, H.V. Poor, & A.M. Annaswamy, Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}