Lorsque l'ouragan Maria a frappé Porto Rico en 2017, les vents ont cassé des arbres et détruit des maisons, tandis que de fortes pluies ont transformé les rues en rivières. Mais après le passage de la tempête, le bilan humain a continué d'augmenter alors que les habitants ont lutté sans électricité pendant des mois. Cinq ans plus tard, les coupures de courant restent longues et fréquentes.

Pour fournir une électricité plus abordable, fiable et durable à des communautés mal desservies comme celles-ci, les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie s'associent à des organisations locales, des organisations à but non lucratif et des universités pour renforcer la résilience dans des micro-réseaux indépendants alimentés par des énergies renouvelables. L'ORNL développe une technologie qui gérera des groupes de petits micro-réseaux comme un cluster, améliorant leur fiabilité même lorsqu'ils sont endommagés.

Les micro-réseaux sont de petits réseaux qui ont généralement leur propre approvisionnement en énergie à partir de sources renouvelables proches comme l'éolien et le solaire. Si le stockage sur batterie est ajouté, les micro-réseaux peuvent être isolés et fonctionner indépendamment en "mode îlot" lorsque le réseau de distribution plus large tombe en panne.

Les ingénieurs de l'ORNL, Ben Ollis et Max Ferrari, dirigent une équipe chargée de développer un orchestrateur de micro-réseaux à déployer dans la ville portoricaine d'Adjuntas. Un projet de micro-réseau communautaire y est déjà en cours d'installation, grâce à un partenariat entre l'association locale Casa Pueblo et la Honnold Foundation.

Honnold, qui finance des projets solaires pour réduire la pauvreté énergétique mondiale, investit 1,7 million de dollars pour créer deux micro-réseaux avec stockage solaire et batterie, a déclaré la coordinatrice du projet Honnold, Cynthia Arellano. Les panneaux solaires ont été installés l'année dernière et seront reliés à l'infrastructure restante qui sera ajoutée cette année.

C'est là qu'ORNL intervient :créer un nouvel outil d'orchestration pour gérer un cluster de micro-réseaux afin qu'ils se soutiennent et communiquent directement les uns avec les autres, ce qui les rend plus résistants pendant les longues pannes de courant. Par exemple, si un micro-réseau perd une partie de sa production solaire, le micro-réseau adjacent pourrait exporter de l'électricité vers son voisin, minimisant ainsi l'impact des dommages.

"Je ne connais aucun contrôleur de micro-réseau capable de communiquer et de se coordonner avec un autre contrôleur", a déclaré Ollis. "Nous concevons une architecture pour les contrôles multi-microgrids, afin que n'importe quel nombre de microgrids puisse fonctionner indépendamment mais partager des informations avec un orchestrateur qui prédira quand la commutation, le routage et la connexion doivent se produire."

Ferrari a déclaré que les simulations initiales indiquent que les micro-réseaux pourraient fonctionner mutuellement au moins une semaine. Mais dans des conditions idéales, ils pourraient potentiellement continuer à fonctionner indéfiniment.

Ce n'est pas qu'une question de commodité. "De nombreuses personnes sont mortes après l'ouragan, et beaucoup de décès étaient liés à des pannes de courant", a déclaré Arturo Massol-Deyá, directeur exécutif de Casa Pueblo, qui promeut un développement équitable et durable autour d'Adjuntas. Cette organisation communautaire de longue date a installé un panneau solaire dans son immeuble en 1999. Après l'ouragan Maria, Casa Pueblo a pu partager l'électricité qu'elle produisait avec les résidents qui dépendaient d'équipements médicaux à domicile tels que des respirateurs.

"We noticed how many people got sick who were pre-diabetic, or had high blood pressure, or were exposed to unhealthy living conditions and food—preventable conditions," said Massol-Deyá. "Energy security being interrupted is about quality of life, and there were long-term consequences in the community." Grassroots support for solar power built steadily as a result.

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." + Explorer plus loin

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