Gedecentraliseerde stroomnetten – De toekomst van energiezekerheid

Many see decentralized power grids as the best option for improving energy security. These networks enhance traditional grid infrastructure by utilizing community-based energy resources alongside centralized power stations. Here’s how a team of MIT engineers seeks to improve decentralized power grids and help keep homes energized in the future.

Stroomuitval neemt toe

Rapporten tonen aan dat stroomuitval wereldwijd om verschillende redenen toeneemt. Een gebrek aan onderhoud en zorg leidt tot een verouderd systeem en verminderde prestaties in veel gebieden. Bovendien komen zware weersomstandigheden vaker voor dan voorheen, wat extra druk legt op de oude infrastructuur.

Een andere bijdragende factor aan stroomuitval waar veel mensen nooit aan denken, is de overstap naar hernieuwbare energie. Zonnepanelen zijn een uitstekend voorbeeld van systemen die goedkope energie leveren, maar die tijden en scenario’s hebben waarin ze niets kunnen produceren.

Tijdens de nacht of langdurige perioden met bewolkt weer kunnen zonnestelsels de benodigde energie niet leveren om de gemeenschappen te ondersteunen. In tegenstelling tot traditionele stroomuitval kunnen voorspelbare gaten in de opwekking van hernieuwbare energie (zoals bewolkte dagen of nacht voor zonne-energie) worden gecompenseerd door grid‑edge‑apparaten te coördineren om consumptie en distributie in realtime aan te passen..

Statistieken over stroomuitval

Een Amerikaanse woningenquête uit 2023 American Housing Survey wierp licht op hoe ernstig de energiecrisis is geworden. Het rapport toonde aan dat minstens één op de vier Amerikaanse huishoudens het afgelopen jaar een stroomuitval heeft ervaren. Het onthulde ook dat meer dan 70 % van de ondervraagden de uitval gedurende meer dan 6 uur ervaarde.

Interessant genoeg laten de statistieken zien dat landelijke gemeenschappen vaker langdurige stroomuitval ervaren. Het benadrukte echter bepaalde steden zoals Detroit, die onkarakteristiek hoge uitval kennen vanwege slechte infrastructuur en andere factoren.

Wereldwijde zorgen

U kunt dit probleem exponentieel groeien zien wanneer u wereldwijde uitval onderzoekt. Er zijn talloze gevallen waarin hele landen dagen of zelfs weken in het donker zijn gedompeld. In één incident faalde het verouderde elektriciteitsnet van Cuba, waardoor meer dan 10 miljoen mensen dagenlang zonder stroom zaten.

Lokale stroomnetten evolueren

Als u aan uw lokale stroomnet denkt, stelt u zich waarschijnlijk een gecentraliseerde energiecentrale, onderstations en transmissielijnen voor. Deze infrastructuur is nog steeds het meest gangbaar, maar heeft aanzienlijke veranderingen ondergaan door de evolutie van huishoudelijke elektronica.

Bron – MIT

Grid‑edge‑apparaten

De term grid edge verwijst naar apparaten die zich ver van de centrale stroomvoorziening bevinden. Deze apparaten hebben vaak geavanceerde mogelijkheden, waaronder stroomopwekking, opslag en afstemming. Grid‑edge‑apparaten omvatten residentiële zonnepanelen, batterijen, elektrische voertuigen, warmtepompen, waterverwarmers en IoT‑apparaten (Internet of Things).

Gedecentraliseerde energiebronnen (DER’s)

Het toenemende gebruik van gedecentraliseerde energiebronnen creëert nieuwe kansen op de markt. Deze slimme apparaten bieden de mogelijkheid om te monitoren, te controleren, te communiceren en taken uit te voeren. Het is deze flexibiliteit die een team van MIT‑ingenieurs wilde benutten in hun nieuwste strategie om de netresilience te verbeteren, te beschermen tegen cyberaanvallen en het netwerk te stabiliseren.

Studie naar gedecentraliseerde stroomnetten

Een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift van de National Academy of Sciences, getiteld “Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets“¹, introduceert een nieuw kader om edge‑apparaten te benutten om de netresilience te waarborgen tegen verschillende scenario’s. Het nieuwe systeem maakt gebruik van gecoördineerde grid‑edge‑apparaten om het netwerk opnieuw in balans te brengen of te ondersteunen.

IoT‑apparaten

In de kern van de studie staat het gebruik van IoT‑apparaten (Internet of Things). Om als IoT‑apparaat te kwalificeren, moet de eenheid een sensor hebben en data naar het internet kunnen communiceren. Opmerkelijk is dat er momenteel miljarden van deze slimme apparaten wereldwijd zijn. Daarom richtten de onderzoekers zich op het benutten van deze apparaten, aangezien wordt voorspeld dat ze binnen de komende vijf jaar het grootste deel van de edge‑apparaten zullen uitmaken.
De strategie zou huiseigenaren laten abonneren op een regionale markt. Deze abonnement zou hun IoT‑apparaten in aanmerking laten komen voor het micro‑grid. Zodra goedgekeurd, zouden de vertrouwde apparaten in staat zijn om het stroomverbruik en de distributie te coördineren volgens het eigen algoritme dat de ingenieurs hebben ontwikkeld.

EURIEKA (Efficiënt, Ultra‑Resilient, IoT‑gecoördineerde assets)

Het EURIEKA‑algoritme staat centraal in de studie van de ingenieurs. Het algoritme scant het netwerk op deelnemende edge‑apparaten. Vervolgens bepaalt het of het het stroomnet moet aanvullen of het stroomverbruik van de IoT‑apparaten moet verminderen op basis van vooraf ingestelde criteria. Wat het algoritme zo effectief maakt, is dat het gebaseerd is op elke lokale elektriciteitsmarkt.

Operator

Lokale marktoperators spelen een cruciale rol in deze aanpak. Elke markt heeft een operator die verantwoordelijk is voor het beheren en communiceren met netdeelnemers en andere operators. Zij zijn de knooppunten die het EURIEKA‑algoritme initiëren en zorgen dat het correct functioneert.

Vertrouwen opbouwen

De eerste stap in dit proces is het opbouwen van vertrouwen. Er zijn zoveel IoT‑apparaten dat het cruciaal is dat het systeem alleen werkt met gecontroleerde en goedgekeurde eenheden om beveiligingsrisico’s te voorkomen. Het algoritme kan zelfstandig betrouwbare IoT‑apparaten verifiëren en goedkeuren, en de beste combinatie bepalen om stroomstoringen effectief te mitigeren en het systeem te stabiliseren.

Lokale elektriciteitsmarkt

Een deel van deze strategie creëert een lokale energiemarkt waar IoT‑deelnemers beloningen kunnen verdienen voor hun inspanningen. Het systeem volgt automatisch de acties van elke deelnemer en betaalt rendementen uit op basis van hun energiebijdragen. Opmerkelijk is dat de ingenieurs verschillende manieren hebben bedacht waarop netwerkdeelnemers compensatie kunnen ontvangen, variërend van directe betalingen tot factuurcredits.

Testen van gedecentraliseerde stroomnetten

MIT‑ingenieurs gebruiken een verscheidenheid aan apparaten en algoritmen om hun nieuwe aanpak te testen. Specifiek maakten de ingenieurs gebruik van een gebruiksvriendelijke nutsvoorzieningssimulator, real‑time hardware‑in‑the‑loop validatie en een co‑simulatieplatform.

Power‑Grid‑algoritme

De tests omvatten verschillende scenario’s met variërende stroomverlies situaties. De scenario’s hielden rekening met storingen op elk niveau van het systeem. In sommige gevallen was het verlies zo laag als 5 % falen. In andere gevallen zag het netwerk catastrofale storingen tot 40 %.

Grid‑aanvalscenario’s

De onderzoekers testten het systeem tegen een grote cyberaanval. In dit scenario stelde het team zich een slimme thermostaat voor die werd gehackt. De gehackte apparaten werden vervolgens opgevoerd om de druk op het stroomnet tot gevaarlijke niveaus te verhogen. De verhoogde druk zou een traditioneel stroomnet doen falen. Echter, de grid‑edge‑systemen bleken veerkrachtig.

Natuurrampen

Het team testte hun netwerk ook tegen weersgebeurtenissen. Ze stelden zich een grote natuurramp voor die een groot percentage van de transmissielijnen beschadigde. Dit scenario komt wereldwijd vaak voor omdat grote natuurrampen vaker voorkomen.

Testresultaten van gedecentraliseerde stroomnetten

Het testen van het algoritme bewees dat netwerken van grid‑edge‑apparaten energieverlies door verschillende aanvallen kunnen compenseren. Het systeem stabiliseerde het net succesvol opnieuw door de nettopologie aan te passen. Bovendien kan het nieuwe algoritme automatisch bepalen welke apparaten betrouwbaar zijn en wat hun mogelijkheden zijn.

Voordelen van gedecentraliseerde stroomnetten

Gedecentraliseerde stroomnetten bieden tal van voordelen voor de markt. Ten eerste bieden ze op maat gemaakte stroomopwekking die rekening houdt met het stroomverbruik van elk apparaat om efficiëntie te leveren. Dit systeem is een groenere en duurzamere alternatief voor de huidige situatie.

IoT‑apparaten zijn overal

Een ander voordeel is het gebruik van IoT‑apparaten. Er zijn miljarden van deze eenheden wereldwijd, met het potentieel om stroomnetten te stabiliseren. Deze strategie houdt rekening met hun mogelijkheden en benut ze gezamenlijk om een robuuster elektriciteitsnet te creëren, dat extreme omstandigheden aankan zonder falen.

Vult hiaten in hernieuwbare energie

Technologieën zoals wind- en zonne‑energie zijn uitstekend voor het creëren van schone energie. Ze hebben echter momenten waarop ze niet in staat zijn de benodigde elektriciteit te produceren om huizen van stroom te voorzien. In deze scenario’s stellen de ingenieurs zich voor dat grid‑edge‑apparaten het extra werk op zich nemen.

Winstgevend

Een van de potentiële voordelen van deze strategie is een dynamischere lokale elektriciteitsmarkt, waar deelnemers gecompenseerd kunnen worden voor hun bijdragen. Hoewel MIT‑onderzoekers dit concept voorstellen, zouden specifieke financiële prikkels zoals factuurcredits of betalingen afhangen van de marktimplementatie en regelgevende kaders. Het zou prettig zijn om een gratis maand elektriciteit te ontvangen omdat de vorige maand uw slimme koelkast en thermostaat hun steentje hebben bijgedragen om het net stabiel te houden.

Onderzoekers van gedecentraliseerde stroomnetten

De studie over gedecentraliseerde stroomnetten werd gepresenteerd door een team van MIT‑ingenieurs. Het artikel vermeldt de hoofd‑auteurs als Vineet Nair en John Williams. Het onderzoek werd mede‑auteurschap van Anu Annaswamy. Opmerkelijk is dat het financiering ontving van het Indian Institute of Technology, het National Renewable Energy Laboratory, het Amerikaanse Department of Energy en de MIT Energy Initiative.
Deze studie bouwt voort op het eerdere werk van hoofdonderzoeker Nair op het gebied van adaptieve regeltheorie. Adaptieve regeltheorie draait om het maken van systemen die kunnen waarnemen en automatisch problemen kunnen corrigeren zonder menselijke tussenkomst. Dit nieuwste protocol sluit aan bij dit onderzoek en zou op een dag kunnen helpen om huizen het hele jaar door van stroom te voorzien.

Bedrijven die vooroplopen in energieoplossingen

De race om de meest veerkrachtige energieoplossingen aan de markt te bieden heeft geleid tot de opkomst van verschillende belangrijke spelers. Deze bedrijven hebben miljoenen geïnvesteerd in R&D om de energieproductie en -levering op de markt te verbeteren. Hier is één bedrijf dat ideaal gepositioneerd is om te profiteren van eventuele stroomnetverbeteringen.

Duke Energy Corp

Duke Energy Corp (DUK ) betrad de markt in 1904 als een waterkrachtcentrale gelegen aan de Catawba-rivier. Het bedrijf werd opgericht door James Buchanan Duke en Benjamin Newton Duke en heeft zijn hoofdkantoor in Charlotte, North Carolina. Sinds de lancering heeft Duke Energy Corporation aanzienlijke groei doorgemaakt. Vandaag is het een van de grootste elektriciteitsbedrijven in de Verenigde Staten.

De opkomst van Duke Energy tot marktleiderschap vond plaats over vele decennia, overnames en marktbewegingen. In 1997 fuseerde het bedrijf met PanEnergy Corporation om haar aanbod uit te breiden. Vervolgens, in 2005, verwierf Duke Energy, het bedrijf, Cinergy Corporation, waardoor de marktpenetratie in belangrijke staten toenam.

Vandaag blijft Duke Energy een marktleider in de energiesector. Het bedrijf blijft innoveren en nieuwe technologie integreren als onderdeel van haar strategie om betrouwbare en betaalbare energie aan haar klanten te bieden.

Zijn positie en geschiedenis zouden Duke Energy in staat stellen de bevindingen van de grid‑edge‑studie te integreren om haar aanbod te verbeteren. Daarom wordt DUK gezien als een sterke toevoeging aan elk portfolio.

Laatste nieuws over Duke Energy Corp

Toekomst van gedecentraliseerde stroomnetten

Er zijn nog steeds veel obstakels voor adoptie die de ingenieurs erkennen dat overwonnen moeten worden om te slagen. Ten eerste zal het systeem vereisen dat klanten en bedrijven zich aanmelden voor het netwerk. Vervolgens moeten ze akkoord gaan met het integreren van bepaalde hardware om het systeem in staat te stellen stroom terug in het netwerk te injecteren en hun inspanningen te volgen. Al deze stappen vereisen het onderwijzen van de massa en het bieden van goedkope en toegankelijke oplossingen.

Het bereiken van netresilience

U moet dit team van out‑of‑the‑box denkers complimenteren voor hun unieke aanpak. Hun concept maakte gebruik van direct beschikbare grid‑edge‑apparaten om het hele systeem te stabiliseren. Deze strategie is logisch, vereist geen enorme kosten of netveranderingen, en maakt gebruik van de enorme IoT‑netwerken die vandaag bestaan. Daarom kunt u verwachten dat er meer onderzoek naar gedecentraliseerde stroomnetten zal volgen.

Leer meer over de andere coole energieprojecten Now

Studieverwijzing:

^{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).}