Tidlig i 2021 satte den amerikanske regjeringen et ambisiøst mål: å dekarbonisere sitt elektrisitetsnett, systemet som genererer og overfører elektrisitet over hele landet, innen 2035. Dette er et viktig mål i kampen mot klimaendringer.klima, og det vil bli nødvendig å bytte fra nåværende energikilder som produserer klimagasser (som kull og naturgass), til hovedsakelig fornybare kilder (som vind og sol).

Å bringe kraftnettet til null karbon vil være en vanskelig oppgave, noe Audun Botterud, seniorforsker ved MITs Laboratory for Decision and Information Systems (LIDS), som lenge har vært interessert i problemet, vet godt. Dette vil kreve bygging av mange fornybare energigeneratorer og ny infrastruktur; utforme bedre teknologi for å fange, lagre og transportere elektrisitet; skape de riktige regulatoriske og økonomiske insentiver; og mer. Avkarbonisering av nettverket gir også mange IT-utfordringer, som Botterud fokuserer på. Botterud har modellert ulike sider ved nettet – mekanikken for energiforsyning, etterspørsel og lagring, og elektrisitetsmarkeder – der økonomiske faktorer kan ha en dramatisk effekt på hvor raskt fornybare løsninger tas i bruk.

Igjen igjen

En stor utfordring med dekarbonisering er at nettet må utformes og drives for pålitelig å møte etterspørselen. Bruken av fornybare energikilder kompliserer dette, da vind- og solkraft er avhengig av et beryktet flyktig system: været. En solrik dag blir grå og blåser, og vindturbinene blir forsterket, men solenergianleggene forblir uvirksomme. Dette vil gjøre nettstrømforsyningen variabel og vanskelig å forutsi. Ytterligere ressurser, inkludert batterier og reservestrømgeneratorer, må innlemmes for å regulere forsyningen. Ekstreme værhendelser, som blir hyppigere med klimaendringer, kan ytterligere tynge tilbud og etterspørsel. Å administrere et nett drevet av fornybar energi vil kreve algoritmer som kan minimere usikkerhet i møte med konstante, noen ganger tilfeldige svingninger, for å lage bedre prognoser for tilbud og etterspørsel, veilede hvordan ressurser legges til nettverket og informere om hvordan disse ressursene blir engasjert og distribuert gjennom hele nettverket. de forente stater.

– Problemet med å håndtere tilbud og etterspørsel i nettet må skje hvert sekund gjennom hele året, og gitt hvor avhengige vi er av strøm i samfunnet, må vi gjøre tingene ordentlig, sier Botterud. «Du kan ikke la påliteligheten gå ned når du øker mengden fornybar energi, spesielt fordi jeg tror det vil føre til motstand mot å ta i bruk fornybar energi.»

Det er derfor Botterud føler seg heldig som jobber med avkarboniseringsspørsmålet ved LIDS – selv om en karriere her ikke er noe han opprinnelig planla. Botteruds første erfaring med MIT kom som hovedfagsstudent i hjemlandet Norge, da han tilbrakte et år som gjestestudent med det som nå heter MIT Energy.Initiative. Han kom kanskje aldri tilbake, bortsett fra at mens han var på MIT møtte Botterud sin fremtidige kone, Bilge Yildiz. Paret endte opp med å jobbe ved Argonne National Laboratory utenfor Chicago, Botterud med fokus på utfordringer knyttet til kraftsystemer og elektrisitetsmarkeder. Deretter fikk Yildiz et professorat ved MIT, hvor hun er professor i kjernefysisk og materialvitenskap og ingeniørfag. Botterud kom tilbake til Cambridge-området med henne og fortsatte å jobbe for Argonne eksternt, men han holdt også øye med lokale muligheter. Etter hvert ble det ledig en stilling ved LIDS, og Botterud tok den, samtidig som han beholdt båndene til Argonne.

– Ved første øyekast er det kanskje ikke en åpenbar passform, sier Botterud. «Mitt arbeid er veldig applikasjonsspesifikk, kraftsystemutfordringer, og LIDS har en tendens til å være mer fokusert på grunnleggende metoder som skal brukes i mange forskjellige applikasjonsområder. Men å være på LIDS, mitt laboratorium [the Energy Analytics Group] har tilgang til de siste fremskrittene innen disse grunnleggende metodene, og vi kan bruke dem på problemer med kraft og energi. Andre personer på LIDS jobber også med energi, så det er økende momentum for å ta tak i disse viktige problemene.

Vær, rom og tid

Mye av forskningen til Botterud handler om optimalisering, bruk av matematisk programmering for å sammenligne alternativer og finne den beste løsningen. Vanlige IT-utfordringer inkluderer å administrere store geografiske områder som inneholder regioner med ulike værforhold, ulike typer og mengder fornybar energi tilgjengelig, og ulike infrastruktur- og forbruksbehov – som for eksempel hele USA. En annen utfordring er behovet for granulær tidsoppløsning, noen ganger til og med ned til under-andre nivå, for å ta hensyn til endringer i energitilbud og etterspørsel.

Ofte vil Botteruds gruppe bruke dekomponering for å løse slike store problemer stykkevis, for så å sette sammen løsninger. Det er imidlertid også viktig å vurdere systemene som en helhet. For eksempel, i en fersk artikkel, undersøkte Botteruds laboratorium effekten av å bygge nye overføringslinjer som en del av nasjonal avkarbonisering. De modellerte løsninger som forutsatte koordinering på statlig, regionalt eller nasjonalt nivå, og fant at jo mer regioner koordinerer for å bygge overføringsinfrastruktur og distribuere elektrisitet, jo mindre vil de måtte bruke for å oppnå null karbon.

I andre prosjekter bruker Botterud spilteoretiske tilnærminger for å studere strategiske interaksjoner i elektrisitetsmarkeder. For eksempel har han designet agentbaserte modeller for å analysere strømmarkedene. Disse forutsetter at hver aktør vil ta strategiske beslutninger i sin egen interesse og deretter simulere interaksjoner mellom dem. Interesserte parter kan bruke modellene til å se hva som vil skje under ulike markedsforhold og regler, noe som kan føre til at selskaper tar ulike investeringsbeslutninger, eller styrende organer til å gi ulike reguleringer og insentiver. Disse valgene kan avgjøre hvor raskt nettverket avkarboniseres.

Botterud samarbeider også med forskere fra MITs avdeling for kjemiteknikk som jobber med å forbedre batterilagringsteknologier. Batteriene skal hjelpe til med å håndtere variabel tilførsel av fornybar energi ved å fange opp overskuddsenergi i perioder med høy produksjon og frigjøre den i perioder med utilstrekkelig produksjon. Botteruds gruppe modellerer den typen ladesykluser som batterier sannsynligvis vil oppleve i strømnettet, slik at kjemiske ingeniører i laboratoriet kan teste egenskapene til batteriene deres i mer realistiske scenarier. Det fører også til en mer realistisk representasjon av batterier i strømsystemoptimaliseringsmodeller.

Dette er bare noen av sakene Botterud jobber med. Han liker utfordringen med å takle en rekke forskjellige prosjekter, og samarbeide med alle fra ingeniører til arkitekter til økonomer. Han mener også at et slikt samarbeid fører til bedre løsninger. Problemene som skapes av klimaendringer er utallige og komplekse, og for å løse dem må forskere samarbeide og utforske.

«For å ha en reell innvirkning på tverrfaglige problemer som energi og klima,» sier Botterud, «må du komme deg ut av forskningen og utvide tilnærmingen din.»