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Un projet multilab de quatre ans évalue comment les communautés peuvent bénéficier de manière sûre, efficace et efficiente de l’énergie éolienne distribuée
Aucune route ne mène à St. Mary’s, en Alaska. Pour s’y rendre, la plupart des gens descendent en bateau le fleuve Yukon voisin, qui est presque aussi large que le village lui-même. Cette même route est utilisée pour acheminer des fournitures, comme le carburant diesel nécessaire pour alimenter et soutenir la vie des résidents, dont 90% sont des natifs de l’Alaska. Mais les hivers glaciaux et les vents violents peuvent empêcher les expéditions à tout moment en dehors des mois d’été plus calmes.
Une turbine Emergya Wind Technologies de 900 kilowatts a commencé à fonctionner en 2019 à St. Mary’s, en Alaska. Le projet MIRACL a analysé ses avantages de résilience et ses flux de valeur, ainsi que les avantages potentiels d’un contrôle plus avancé. Photo du département américain de l’énergie.
Heureusement, les vents puissants de l’Alaska peuvent également produire une énergie propre, locale et abordable. L’énergie éolienne distribuée – produite par des éoliennes qui desservent des clients locaux, comme les petites villes, les fermes, les entreprises ou même les maisons individuelles – pourrait offrir des avantages économiques, sociétaux et environnementaux à long terme aux régions éloignées et rurales, comme St. Mary’s.
St. Mary’s a installé une seule éolienne de 900 kilowatts en 2019. Cette éolienne produit environ 50 % de sa puissance.
Alors que les projets d’énergie éolienne distribuée permettent déjà à St. Mary’s et à d’autres communautés d’économiser de l’argent et apportent d’autres avantages, leur adoption a été limitée, avec seulement 1 075 mégawatts de capacité éolienne distribuée cumulée déployés à l’échelle nationale entre 2003 et 2021. Un manque de sensibilisation à l’énergie éolienne distribuée la valeur économique, la valeur de l’énergie propre et la résilience énergétique pourraient avoir contribué à sa lente adoption.
Maintenant, grâce au projet de quatre ans Microgrids, Infrastructure Resilience, and Advanced Controls Launchpad (ou MIRACL), ces données existent et confirment que l’énergie éolienne distribuée pourrait être une source rentable d’énergie propre pour de nombreuses communautés, en particulier celles des régions éloignées et éloignées. zones rurales, ainsi qu’un élément clé de systèmes énergétiques fiables et résilients.
« Il existe un fort potentiel de ressources pour l’éolien distribué à travers les États-Unis », a déclaré Ian Baring-Gould, chercheur au National Renewable Energy Laboratory (NREL) du Département américain de l’énergie et membre de l’équipe de recherche MIRACL. « En tant que ressource renouvelable, elle peut aider à compenser les émissions de carbone et fournir une source d’énergie propre aux communautés. Pour certaines régions éloignées ou rurales, il peut s’agir de la meilleure source d’énergie propre disponible.
Lancé en 2018 par le bureau des technologies de l’énergie éolienne du département américain de l’énergie, le projet MIRACL visait à évaluer comment les communautés pourraient intégrer l’énergie éolienne de manière sûre, efficace et efficiente dans les systèmes de distribution, îlotés, hybrides ou micro-réseaux (comme St. Mary’s, qui est un micro-réseau isolé qui n’est pas connecté à un réseau électrique plus important).
Pour ce faire, une équipe collaborative de chercheurs du NREL, du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), des Sandia National Laboratories (Sandia) et de l’Idaho National Laboratory (INL) s’est réunie pour mieux faire progresser les nombreux avantages de l’énergie éolienne distribuée – des économies de coûts énergétiques à une résilience accrue – pour les communautés à travers les États-Unis.
« Quand les gens pensent à l’énergie éolienne distribuée, beaucoup pensent à une seule petite turbine dans un champ », a déclaré Caitlyn Clark, chercheuse principale du projet MIRACL et chercheuse au NREL. « Mais il existe de nombreuses applications où le vent distribué peut être utilisé. Le projet MIRACL a posé la question suivante : « Quelles barrières empêchent le développement de l’éolien distribué ? » Et que pouvons-nous faire pour surmonter ces obstacles ? »
L’équipe MIRACL a identifié quatre principaux cas d’utilisation de l’énergie éolienne distribuée seule ou combinée à d’autres types d’énergie, y compris dans des réseaux isolés et des micro-réseaux.
Même si les fabricants de petites éoliennes ont constaté un intérêt accru pour les micro-réseaux et les systèmes hybrides – qui associent l’énergie éolienne à d’autres sources d’énergie renouvelables, comme les panneaux solaires et le stockage d’énergie, la capacité d’énergie éolienne distribuée nouvellement ajoutée est passée d’environ 22 mégawatts en 2020 à 12 mégawatts en 2021, a déclaré Alice Orrell, responsable de la recherche sur l’éolien distribué au PNNL et chercheuse de l’équipe MIRACL. C’est presque une réduction de 50 %.
Combler les principales lacunes dans les connaissances
Une partie de cette baisse pourrait être attribuée à un manque de connaissances sur la valeur de l’énergie éolienne distribuée en termes d’avantages économiques, de services de réseau, de fiabilité et de résilience, et de sécurité énergétique. Le travail de l’équipe MIRACL vise à combler ces lacunes.
Une étude du vent distribué dans les communautés éloignées de l’Alaska a révélé comment ces communautés pourraient bénéficier de cette source d’énergie renouvelable. (Photo de Drew Dempsey sur Unsplash)
Les experts du PNNL ont conçu un cadre unique en son genre pour estimer la valeur réelle de l’énergie éolienne distribuée à travers une gamme variée d’études de cas et de scénarios.
Les membres de l’équipe NREL et Sandia ont examiné les commandes avancées, qui font fonctionner les systèmes électriques et mécaniques d’une éolienne à l’aide d’un réseau de capteurs connectés à un système de traitement central. Ces méthodes modernes de contrôle des éoliennes individuelles peuvent compenser – ou même prévoir – les changements de vitesse du vent pour améliorer la façon dont les éoliennes fonctionnent en coordination avec d’autres technologies énergétiques distribuées, telles que l’énergie solaire et le stockage, pour exploiter autant d’énergie que possible.
Les experts de l’INL ont également examiné comment l’énergie éolienne distribuée pourrait fournir une plus grande fiabilité et résilience aux communautés confrontées à des phénomènes météorologiques extrêmes.
Le cadre de résilience qu’ils ont développé peut aider à comparer l’impact sur la résilience de différentes mises à niveau du système, à quantifier l’impact de l’énergie éolienne distribuée sur la résilience globale du système et à orienter les décisions d’investissement à l’aide d’une analyse basée sur les risques. Le cadre est maintenant développé en un outil qui automatise l’analyse, améliorant l’accessibilité à la recherche.
De plus, une équipe basée à l’INL a évalué la menace potentielle que les cyberattaques pourraient représenter pour les systèmes d’énergie éolienne distribués. Leurs découvertes pourraient aider les fabricants et les exploitants à protéger les éoliennes de ces attaques.
« Les cybermenaces qui pèsent sur l’infrastructure électrique en général, et sur l’énergie éolienne en particulier, continuent de croître », a déclaré Megan Culler, ingénieure à l’INL et chercheuse du projet MIRACL. « Pour l’énergie éolienne distribuée, les cyber-risques peuvent inclure des rançongiciels, des logiciels malveillants non ciblés et d’autres attaques qui ciblent une architecture souvent non protégée. »
L’équipe MIRACL a également découvert que le couplage de l’énergie éolienne distribuée avec l’énergie solaire et le stockage de l’énergie peut grandement améliorer la cohérence de la production d’électricité. Parce que ces sources se complètent, ces systèmes hybrides peuvent mieux répondre à la demande énergétique.
« Par rapport à l’énergie solaire, l’énergie éolienne distribuée offre un profil de production différent qui peut potentiellement mieux servir les clients à la fois par elle-même et dans les systèmes hybrides », a déclaré Clark.
Ils ont également exploré le potentiel de l’énergie éolienne distribuée, y compris dans le cadre de ces systèmes hybrides ou connectés à des réseaux ou micro-réseaux isolés, pour aider les communautés à renforcer leur résilience et à garder les lumières allumées pendant les vagues de froid, les catastrophes naturelles ou les cyberattaques.
Mise en œuvre dans le monde réel
L’équipe de MIRACL a travaillé directement avec les communautés pour analyser comment l’énergie éolienne distribuée pourrait aider à réduire leurs coûts énergétiques ou à maintenir l’électricité même lors d’événements météorologiques extrêmes.
En collaboration avec l’Alaska Center for Energy and Power et la coopérative d’électricité locale de St. Mary’s, l’Alaska Village Electric Cooperative, l’équipe MIRACL a également identifié les avancées technologiques des systèmes hybrides pour augmenter encore les économies de carburant.
En plus du travail en Alaska, l’équipe s’est engagée avec Iowa Lakes Electric Cooperative, une coopérative du nord de l’Iowa qui a installé deux centrales éoliennes distribuées à sept turbines en 2009, chacune totalisant 10,5 mégawatts, qui ont été dimensionnées et situées pour desservir deux éthanol locaux. végétaux. L’équipe a examiné les besoins de résilience spécifiques des usines d’éthanol et a utilisé le cadre d’évaluation, le cadre de résilience et les outils de conception hybrides pour démontrer les avantages des usines existantes et explorer les moyens de maximiser leur potentiel.
L’équipe travaille également avec la ville d’Algona, Iowa, pour les aider à explorer des projets potentiels d’énergie éolienne hybride qui pourraient compléter leur approvisionnement énergétique actuel.
Ces partenariats peuvent aider à renforcer la confiance et la prise de conscience de la grande valeur de l’énergie éolienne distribuée.
Pour Rachid Darbali Zamora, ingénieur chez Sandia, ces partenariats communautaires sont ce qui le passionne le plus dans le projet MIRACL. Aux côtés des services publics locaux, l’équipe « trouve des solutions concrètes pour maximiser les impacts de l’énergie propre », a-t-il déclaré.
Apprenez-en plus sur les recherches et les principaux résultats du projet MIRACL dans leur compendium récemment publié et sur les travaux du NREL sur l’énergie éolienne distribuée.
Une version de cet article est également apparue sur le bureau des technologies de l’énergie éolienne du département américain de l’énergie le 9 mars 2023.
Gracieuseté de NREL.
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