Уроки урагана: как новые технологии учат энергосети выживать в катаклизмах

В 2022 году ураган «Фиона», обрушившийся на Пуэрто-Рико, стал суровым испытанием для энергетической инфраструктуры острова. Будучи штормом всего лишь первой категории, он вызвал полный блэкаут, оставив жителей без электричества на дни, а местами и недели. Это происшествие вскрыло уязвимость системы и имело далеко идущие последствия для здоровья, безопасности и экономики региона.

Однако эта катастрофа предоставила редкую возможность для науки. Энергетическая компания LUMA Energy, отвечающая за передачу и распределение энергии в Пуэрто-Рико, собрала уникальные данные об отключениях с высоким разрешением каждые десять минут во время прохождения урагана. Теперь команда инженеров из Принстонского университета использует эту информацию, чтобы помочь операторам по всему миру лучше понимать и защищать свои энергосистемы перед лицом все более частых и суровых климатических угроз — от ураганов до аномальной жары.

Исследователи разработали модели, позволяющие не только количественно оценить риск катастрофических сбоев, подобных пуэрто-риканскому, но и спрогнозировать, как экстремальные погодные условия повлияют на энергосистемы будущего с высокой долей возобновляемых источников. Руководитель исследования Нин Линь объясняет, что одна из целей перехода к чистой энергии — избежать худших последствий изменения климата. Однако, по ее словам, возобновляемые источники, такие как солнце и ветер, более подвержены влиянию окружающей среды, что делает их потенциально уязвимыми. Работа ученых направлена на то, чтобы помочь энергосистемам справляться с этими рисками, одновременно достигая целей по «зеленой» энергетике.

Данные показали, что непосредственно перед приходом «Фионы» энергосистема Пуэрто-Рико перешла от более чем 50% работоспособности к полному отключению менее чем за 10 минут. Это указывает на «каскадный сбой» — цепную реакцию, когда отказ одного компонента приводит к коллапсу всей сети. Для анализа таких событий ученые создали модель CRESCENT. Она объединяет данные о климатических угрозах с информацией об уязвимости сети, чтобы предсказать вероятность тотального блэкаута. Моделирование выявило неожиданную закономерность: если ключевые линии электропередачи от крупнейшей электростанции острова выходили из строя в самом начале шторма, сеть в целом становилась более устойчивой к последующим повреждениям.

Ведущий автор Ло Сюй отмечает, что, вопреки ожиданиям, система оказывается более устойчивой, если критические компоненты отказывают на ранней стадии. Ранний сбой пассивно обесточивал часть сети, позволяя ей лучше распределять нагрузку в тот момент, когда остальные элементы еще не были сильно повреждены ураганом. В долгосрочной перспективе модель CRESCENT может помочь Пуэрto-Рико в его стремлении к полной декарбонизации к 2050 году. Например, исследование показало, что при увеличении доли частных солнечных панелей выше 45%, риск общесистемного сбоя резко возрастает, если не внедрять системы накопления энергии. Соавтор исследования Х. Винсент Пур подчеркивает, что нестабильным источникам, таким как солнце и ветер, не хватает инерции, которую обеспечивают традиционные турбины, поэтому для стабильности им необходимы мощные накопители.

Для решения оперативных задач команда разработала вторую модель — REDUCER. Она помогает планировать подачу энергии на сутки вперед в условиях приближающихся климатических угроз. Во время ураганов стандартные прогнозы спроса часто оказываются неверными, что приводит к перебоям или необходимости использовать дорогостоящие аварийные генераторы. REDUCER превосходит существующие подходы, так как учитывает риски не только для магистральных линий электропередачи, но и для обширных распределительных сетей — тех самых «местных дорог», которые доставляют энергию непосредственно в дома и на предприятия.

Сюй поясняет, что ранее у операторов не было способа учесть такой уровень неопределенности из-за огромной вычислительной сложности. Новая модель справляется с этой задачей более чем в 10 раз быстрее современных аналогов: расчеты для Пуэрто-Рико занимают менее 20 минут вместо нескольких часов. Это позволяет снизить операционные расходы на 20% и избежать аварийных отключений. Пур добавляет, что это позволяет операторам и потребителям сосредоточиться на других вопросах восстановления и в конечном итоге снижает стоимость электроэнергии для всех.

Ученые уверены, что их разработки будут становиться все более востребованными. Хотя модели тестировались на примере Пуэрто-Рико и урагана «Фиона», их можно адаптировать для различных энергосистем и климатических угроз по всему миру. Нин Линь напоминает, что изменение климата — это глобальная проблема. Только в США с 2011 по 2021 год число отключений электроэнергии, связанных с погодой, выросло на 78% по сравнению с предыдущим десятилетием. Новые инструменты призваны помочь энергетическим компаниям во всем мире адаптироваться к новым реалиям и сделать наши города более защищенными.