ORNL research to bring more reliable electricity to Puerto Rican microgrids

Newswise — When Hurricane Maria battered Puerto Rico in 2017, winds snapped trees and destroyed homes, while heavy rains transformed streets into rivers. But after the storm passed, the human toll continued to grow as residents struggled without electricity for months. Five years later, power outages remain long and frequent.

To provide more affordable, reliable and sustainable electricity to underserved communities like these, scientists from the Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory are partnering with local organizations, nonprofits and universities to build resilience into independent microgrids powered by renewable energy. ORNL is developing a technology that will manage groups of small microgrids as a cluster, enhancing their reliability even when damaged.

Microgrids are small networks that generally have their own energy supply from nearby renewable sources like wind and solar. If battery storage is added, microgrids can be isolated and function independently in “island mode” when the broader utility network fails.

ORNL engineers Ben Ollis and Max Ferrari are leading a team to develop a microgrid orchestrator to deploy in the Puerto Rican town of Adjuntas. A community microgrid project is already being installed there, through a partnership between local nonprofit Casa Pueblo and the Honnold Foundation.

Honnold, which funds solar projects to reduce global energy poverty, is investing $1.7 million to create two microgrids with solar and battery storage, said Honnold project coordinator Cynthia Arellano. The solar arrays were installed last year and will be hooked to the remaining infrastructure being added this year.

That’s where ORNL steps in: Creating a novel orchestrator tool to manage a cluster of microgrids so they directly support and communicate with each other, making them more resilient during long power outages. For example, if one microgrid loses part of its solar generation, the adjacent microgrid could export power to its neighbor, minimizing the impact of the damage.

“I don’t know of a microgrid controller anywhere that can communicate and coordinate with another controller,” Ollis said. “We’re designing an architecture for multi-microgrid controls, so any number of microgrids can operate independently but share information to an orchestrator that will predict when switching, routing and connecting should happen.”

Ferrari said initial simulations indicate the microgrids could keep each other running at least a week. But with ideal conditions, they could potentially keep operating indefinitely.

That isn’t just a matter of convenience. “A lot of people died after the hurricane, and many of the deaths were related to power failures,” said Arturo Massol-Deyá, executive director of Casa Pueblo, which promotes fair and sustainable development around Adjuntas. This longtime community organization installed a solar array at its building in 1999. After Hurricane Maria, Casa Pueblo was able to share the electricity it generated with residents relying on home medical equipment like respirators. 

“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 (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 (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.”

ORNL’s work on the Adjuntas project is funded through the DOE’s Solar Energy Technologies Office. Much of the microgrid orchestrator design, configuration and testing is occurring in the microgrid testbed called COMMANDER (Coordination of Multi-Microgrids and Networked Distributed Energy Resources), which is part of the GRID-C facility funded largely by the DOE’s Office of Electricity.

Other members of the ORNL team working on the Adjuntas microgrids project are Guodong Liu, Aditya Sundararajan, Mohammed M. Olama and Yang Chen. Additional academic partners include the University of Central Florida and the University of Tennessee-Knoxville.

UT-Battelle manages Oak Ridge National Laboratory for the U.S. Department of Energy’s Office of Science. The single largest supporter of basic research in the physical sciences in the United States, the Office of Science is working to address some of the most pressing challenges of our time. For more information, please visit https://energy.gov/science.

SPANISH VERSION

Investigación de ORNL maximiza la operación resiliente de microrredes en Puerto Rico. 

Por S. Heather Duncan

Traducido por Max Ferrari

Cuando el huracán María golpeó Puerto Rico en septiembre de 2017, la isla quedó devastada por fuertes vientos. Árboles y casas fueron arrasados y las calles se tornaron en torrentosos ríos que devoraban a su paso todo lo que hallaban. La tormenta dejó un número creciente de víctimas y varias comunidades sin electricidad durante meses. Cinco años después, los cortes de energía continúan, prolongados y frecuentes.

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge, en colaboración con múltiples universidades, ONGs y organizaciones locales, están investigando como las microrredes pueden proporcionar electricidad más asequible, confiable y sostenible a comunidades históricamente desatendidas en Puerto Rico. En este proyecto, ORNL está desarrollando un control que permite operar un grupo de microrredes en un clúster, lo cual mejora la resiliencia en su operación inclusive cuando parte de la microrred está afectada por un desastre natural.

Las microrredes se pueden definir como un sistema independiente de energía que utilizan fuentes de energía locales, como eólica y solar, como medio de generación eléctrica. Si se agrega un almacenamiento de batería, las microrredes pueden funcionar de forma independiente en "modo isla" en caso la red de suministro eléctrica tenga fallas.

Los ingenieros, Ben Ollis y Max Ferrari de ORNL, lideran un equipo para crear el orquestador de microrredes que se implementará en las microrredes de la ciudad puertorriqueña de Adjuntas. Estas microrredes constituyen un proyecto liderado por Casa Pueblo, organización local sin fines de lucro, y Honnold Foundation.

La Honnold Foundation ha financiado múltiples proyectos de energía solar a nivel mundial para reducir la pobreza energética. Actualmente, ha invertido $1,7 millones de dólares en Adjuntas para instalar dos microrredes basadas en energía solar con amplio almacenamiento en baterías, afirmó la coordinadora local Cynthia Arellano. Los paneles solares se instalaron en 2021 y se conectarán este año a la infraestructura restante.

ORNL ha apoyado esta iniciativa con el diseño de un novedoso control que permite coordinar este grupo de microrredes. Al interconectar microrredes el sistema se vuelve más resiliente y, adicionalmente, el intercambio de electricidad entre microrredes permite que el clúster permanezca más tiempo en modo isla, punto crítico durante apagones de larga duración.  Por ejemplo, si una microrred perdiera parte de su generación solar, la microrred adyacente podría exportar energía al sistema afectado.

“Actualmente, no conozco un controlador que se pueda comunicar y coordinar con otro controlador de microrredes,” Ollis dijo. “Estamos formulando un diseño capaz de controlar múltiples microrredes, de modo que cualquier número de microrredes pueda operar de forma independiente, y al mismo tiempo compartir información con un orquestador que determine el flujo de energía entre ellas.”

Ferrari afirmó que, según las simulaciones iniciales, las microrredes podrían mantenerse funcionando en modo isla por al menos por una semana y que en condiciones ideales, estas microrredes podrían seguir operando indefinidamente sin conexión a la red.

Eso no es solo una cuestión de conveniencia. “Muchas personas murieron después del huracán y muchas de las muertes estuvieron relacionadas con cortes de energía,” dijo Arturo Massol-Deyá, director ejecutivo de Casa Pueblo, que promueve el desarrollo justo y sostenible en los alrededores de Adjuntas. Esta organización comunitaria ya había instalado paneles solares en su sede en 1999. Después del huracán María, Casa Pueblo pudo compartir la electricidad que generaba con los residentes que dependían de equipos médicos domésticos como respiradores.

“Nos dimos cuenta de cuántas personas se enfermaron: unas, prediabéticas, otras, hipertensas, otras, expuestas a condiciones de vida y alimentos insalubres, todas ellas calamidades que se hubieran podido evitar,” dijo Massol-Deyá. “La interrupción de la seguridad energética tiene que ver con la calidad de vida de los ciudadanos y genera consecuencias a largo plazo en la comunidad.” Como resultado de estos lamentables sucesos, el apoyo de base a la energía solar creció de manera constante en la isla.

Beneficios para toda la comunidad

Las microrredes de Adjuntas incluyen instalaciones solares en los techos de trece negocios, cuyos propietarios acuerdan brindar servicios críticos como medicamentos, refrigeración y carga de teléfonos celulares a los residentes durante los cortes de energía prolongados. A cambio, las empresas ahorran dinero en electricidad y evitan el uso de costosos generadores diésel, aseveró Ferrari. “La implementación de este control diseñado por ORNL será una herramienta realmente poderosa para la comunidad,” dijo Arellano. Ella agregó que es inusual que tantas empresas y propietarios estén conectados por una microrred y la infraestructura admitirá agregar aún más beneficiarios.

En un viaje reciente a Adjuntas, los investigadores de ORNL se reunieron con propietarios de negocios locales para comprender mejor sus patrones de uso de electricidad. Por ejemplo, cuando Ferrari visitó la panadería, aprendió a qué horas deben funcionar los refrigeradores para que la masa del pan leve correctamente. Ferrari y Ollis hablaron con los dueños de los negocios para identificar que establecimientos son críticos para las microrredes, para así darles prioridad cuando la energía eléctrica es escasa.

“Esperamos que el orquestador no solo permita a administrar las microrredes, sino también, proteja los componentes críticos como la unidad de almacenamiento de energía,” dijo Massol-Deyá, quien también es profesor de la Universidad de Puerto Rico Mayagüez (UPRM). “Los ingresos producidos por las microrredes de propiedad comunitaria financiarán su mantenimiento y expansión, así como la instalación de sistemas solares independientes para los residentes más desfavorecidos de Adjuntas.”

Un sentido de urgencia

Fabio Andrade es profesor de ingeniería de la UPRM y científico visitante en el ORNL adscripto al proyecto Adjuntas. Sus estudiantes modelan estrategias, herramientas y algoritmos para compartir energía solar entre usuarios de microrredes. El colega del UPRM, Gerson Beauchamp, guía a los estudiantes a través del análisis del equipo solar y la predicción de cuánta energía es capaz de producir. Con los precios actuales de la electricidad, se estima que colectivamente los negocios participantes puedan ahorrar hasta $78,000 al año al comprar energía solar de las microrredes, dijo Beauchamp.

Ferrari está incorporando la información de sus colegas de UPRM en sus simulaciones, las cuales también se evaluarán con equipos reales en el laboratorio utilizando los testbeds disponibles en el Grid Research Integration and Deployment Center (GRID-C) del Departamento de Energía (DOE). El siguiente paso del proyecto es evaluar el orquestador en este nuevo testbed de ORNL, el cual es diseñado específicamente evaluar operaciones de múltiples microrredes. En el 2023, el orquestador será instalado en las microrredes de Adjuntas.

Las tecnologías desarrolladas en ORNL soporta los esfuerzos para mejorar la seguridad energética en Puerto Rico. Adicionalmente, tienen el potencial de catalizar el uso de microrredes en el sistema eléctrico del futuro. Las microrredes inteligentes que incorporan energía renovable están preparadas para promover la flexibilidad y la resiliencia de la red al tiempo que respaldan los esfuerzos de descarbonización. “El orquestador incluye un marco de algoritmos que se puede expandir e implementar en otras microrredes en cualquier sitio,” dijo Ollis. “Podrían proporcionar electricidad más confiable a muchas otras comunidades rurales. Quisiera ver un futuro cientos de microrredes trabajando juntas para proteger la infraestructura crítica a nivel local, regional y nacional.”

El trabajo de ORNL en el proyecto Adjuntas está financiado a través de DOE’s Solar Energy Technologies Office. Gran parte del diseño, la configuración y las pruebas del orquestador de microrredes se realizan en el banco de pruebas de microrredes llamado COMMANDER (Coordination of Multi-Microgrids and Networked Distributed Energy Resources), que integra la instalación GRID-C, costeada en su mayoría por la Oficina de Electricidad del DOE. Otros miembros del equipo de ORNL que colaboran en el proyecto de microrredes de Adjuntas son Guodong Liu, Aditya Sundararajan, Mohammed M. Olama y Yang Chen. Tenemos socios académicos adicionales en la Universidad de Florida Central y la Universidad de Tennessee-Knoxville.

UT-Battelle administra el Laboratorio Nacional Oak Ridge para el U.S. Department of Energy’s Office of Science. La Oficina de Ciencias, el mayor partidario individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, cuyo trabajo es abordar muchos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.

Para obtener más información, visite https://energy.gov/science.