Quando o furacão Maria atingiu Porto Rico em 2017, os ventos derrubaram árvores e destruíram casas, enquanto fortes chuvas transformaram ruas em rios. Mas depois que a tempestade passou, o número de mortos continuou a crescer enquanto os moradores lutavam sem eletricidade por meses. Cinco anos depois, as quedas de energia continuam longas e frequentes.
Para fornecer eletricidade mais acessível, confiável e sustentável para comunidades carentes como essas, cientistas do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia estão em parceria com organizações locais, organizações sem fins lucrativos e universidades para construir resiliência em microrredes independentes alimentadas por energia renovável. O ORNL está desenvolvendo uma tecnologia que gerenciará grupos de pequenas microrredes como um cluster, aumentando sua confiabilidade mesmo quando danificadas.

Microgrids são pequenas redes que geralmente têm seu próprio suprimento de energia de fontes renováveis ​​próximas, como eólica e solar. Se o armazenamento de bateria for adicionado, as microrredes podem ser isoladas e funcionar de forma independente no "modo ilha" quando a rede elétrica mais ampla falhar.

Os engenheiros do ORNL Ben Ollis e Max Ferrari estão liderando uma equipe para desenvolver um orquestrador de microrredes para implantar na cidade porto-riquenha de Adjuntas. Um projeto de microrrede comunitária já está sendo instalado no local, por meio de uma parceria entre a organização sem fins lucrativos Casa Pueblo e a Fundação Honnold.

A Honnold, que financia projetos solares para reduzir a pobreza energética global, está investindo US$ 1,7 milhão para criar duas microrredes com armazenamento solar e bateria, disse Cynthia Arellano, coordenadora do projeto Honnold. Os painéis solares foram instalados no ano passado e serão conectados à infraestrutura restante que será adicionada este ano.

É aí que o ORNL intervém:Criando uma nova ferramenta orquestradora para gerenciar um cluster de microrredes para que eles suportem e se comuniquem diretamente entre si, tornando-os mais resilientes durante longos cortes de energia. Por exemplo, se uma microrrede perder parte de sua geração solar, a microrrede adjacente poderá exportar energia para a vizinha, minimizando o impacto dos danos.

“Não conheço um controlador de microrrede em nenhum lugar que possa se comunicar e coordenar com outro controlador”, disse Ollis. "Estamos projetando uma arquitetura para controles multi-microgrid, para que qualquer número de microgrids possa operar de forma independente, mas compartilhar informações com um orquestrador que irá prever quando a comutação, roteamento e conexão devem acontecer."

A Ferrari disse que as simulações iniciais indicam que as microrredes podem se manter funcionando por pelo menos uma semana. Mas com condições ideais, eles poderiam continuar operando indefinidamente.

Isso não é apenas uma questão de conveniência. "Muitas pessoas morreram após o furacão, e muitas das mortes foram relacionadas a falhas de energia", disse Arturo Massol-Deyá, diretor executivo da Casa Pueblo, que promove o desenvolvimento justo e sustentável em torno de Adjuntas. Essa organização comunitária de longa data instalou um painel solar em seu prédio em 1999. Após o furacão Maria, a Casa Pueblo conseguiu compartilhar a eletricidade gerada com os moradores que dependem de equipamentos médicos domésticos, como respiradores.

“Percebemos quantas pessoas ficaram doentes que eram pré-diabéticas, ou tinham pressão alta, ou foram expostas a condições de vida e alimentos insalubres – condições evitáveis”, disse Massol-Deyá. “A interrupção da segurança energética tem a ver com qualidade de vida e houve consequências de longo prazo na comunidade”. Como resultado, o apoio de base à energia solar foi construído de forma constante.

Community-wide benefits

The Adjuntas microgrids include solar installations on the roofs of 13 businesses, whose owners agree to provide critical services like medicine, refrigeration and cell phone charging to residents during major power outages. In return, the businesses save money on electricity and avoid the use of expensive diesel generators during natural disasters, Ferrari said.

"ORNL deploying this kind of controller system is going to be a really powerful tool for the community," Arellano said. It's unusual for so many businesses and owners to be linked by a microgrid, she added, and the infrastructure will support adding even more.

On a recent trip to Adjuntas, ORNL researchers met with local business owners to better understand their electricity use patterns. For example, when Ferrari visited the bakery, he learned what times refrigerators must run for the dough to rise properly. He and Ollis sought to identify the most critical electricity loads so they can design a system that focuses scarce power where it's most needed.

"Hopefully it will help not only to manage the microgrids, but also to protect the critical components like the energy storage unit," said Massol-Deyá, who is also a professor at University of Puerto Rico Mayaguez, or UPRM.

The income produced by the community-owned microgrids will fund their maintenance and expansion, as well as installation of independent solar systems for the most disadvantaged Adjuntas residents, he said.

A sense of urgency

Fabio Andrade is a UPRM engineering professor and a visiting scientist at ORNL collaborating on the Adjuntas project. His students model strategies, tools and algorithms for sharing solar power among microgrid users. UPRM colleague Gerson Beauchamp guides students through analyzing the solar equipment and predicting how much energy it will produce. At current electricity prices, the businesses can collectively expect to save as much as $78,000 a year by buying solar energy from the microgrids, Beauchamp said.

Ferrari is incorporating information from UPRM colleagues into his simulations, which are being tested live with actual microgrid hardware at DOE's Grid Research Integration and Deployment Center, or GRID-C, at ORNL. The next step is running the configuration in the facility's brand-new networked testbed for microgrids. In another year, the orchestrator will be deployed in Adjuntas.

While the ORNL-derived technology could be a literal lifesaver in Puerto Rico, it also holds broader potential for enabling microgrids to play a key role in the global grid of the future. Intelligent microgrids that incorporate renewable energy are poised to advance grid flexibility and resiliency while supporting vital decarbonization efforts.

"The orchestrator includes a framework of algorithms that can be expanded and deployed to many microgrids at any site," Ollis said. "They could provide more reliable electricity to many rural communities at the grid edge. I want to see a future where we have hundreds of microgrids working together to protect critical infrastructure at local, regional and national levels." + Explorar mais

Technology enhances solar option during outages