Dit zijn de Amerikaanse Regio’s het kwetsbaarst voor zonnestormen

Netbeheerders in Minnesota, North Dakota en Wisconsin moeten extra voorzorgsmaatregelen nemen tegen zonne-“weer”

Een nieuwe studie over door zonne-energie veroorzaakte stroomstoringen in het Amerikaanse elektriciteitsnet laat zien dat een paar belangrijke regio’s – een deel van het Midwesten en de oostkust – kwetsbaarder lijken te zijn dan andere.

Het goede nieuws is dat met een paar preventieve maatregelen de schade drastisch kan worden beperkt als de aarde door een zonnestorm wordt getroffen. Een van die maatregelen is het aanleggen van voorraden elektrische transformatoren in nationale strategische reserves.

Jeffrey Love is geofysicus bij de U.S. Geological Survey (USGS) in Golden, Colo, en medeauteur van de nieuwe USGS-studie naar het gevaar van geo-elektrische zonne-energie. Hij is een van de vele sprekers in de wereldwijde geofysische gemeenschap die waarschuwen dat geo-elektrische “perfecte stormen” zullen voorkomen – het is niet een kwestie van of, maar wanneer. Dergelijke stormen kunnen één tot drie dagen duren.

Love legt uit dat zonnevlammen en andere uitbarstingen van zonnemassa die door de ruimte reizen, in de atmosfeer van de aarde kunnen inslaan en krachtige elektrische en magnetische velden kunnen opwekken. Deze magnetische stormen kunnen soms zo intens zijn dat ze de werking van hoogspanningsleidingen verstoren.

Afhankelijk van de geologie van een bepaald gebied kunnen de stromen die een geomagnetische storm in de hoogspanningsleidingen veroorzaakt, de werking van het elektriciteitsnet destabiliseren en schade toebrengen aan transformatoren (of deze zelfs vernietigen).

Gelukkig genoeg zijn sommige soorten gesteente, zoals sedimentaire formaties, relatief elektrisch geleidend. Dat betekent dat ze beter in staat zijn de door stormen veroorzaakte elektrische velden af te voeren. Regio’s met meer van dit soort geleidend gesteente zijn dus beter bestand tegen een magnetische storm. Toevallig is dat het grootste deel van de Verenigde Staten.

Een aantal regio’s met geologische pech heeft echter meer elektrisch resistent gesteente (waaronder stollingsgesteenten en metamorfe formaties) in de grond. En dat betekent dat hoogspanningskabels in die delen van het land meer onderhevig zullen zijn aan geomagnetische storingen door zonnevlammen. Nutsbedrijven in die regio’s moeten weten dat stroomstoringen en -onderbrekingen – en mogelijk ook opgeblazen transformatoren – waarschijnlijker zijn in het geval van een grote zonnestorm die de aarde treft.

In het ergste geval, aldus Love, zouden delen van het elektriciteitsnet die niet over voldoende reservetransformatoren en andere apparatuur beschikken, niet meer kunnen werken totdat zij reservesystemen kunnen inruilen. Als er niet genoeg transformatoren en andere apparatuur is, kunnen de zwaarst getroffen regio’s dagen of weken zonder stroom zitten tot er apparatuur kan worden geleverd of van de grond af aan kan worden opgebouwd.

In maart 1989 bijvoorbeeld sloeg een zogeheten coronale massa-ejectie van de zon in op de aarde. Door de stand van de planeet op het moment van de inslag werden vooral in de Canadese provincie Quebec elektriciteitsnetten en transformatoren opgeblazen. De volgende 12 uur werden miljoenen mensen teruggeworpen in een wereld zonder elektriciteit, licht, verwarming of andere noodzakelijke voorzieningen.

“De geomagnetische storing was wereldwijd, maar het effect was prominent voor Quebec omdat Quebec oud en geologisch resistief gesteente heeft,” zei Love. “Ook hebben elektriciteitsnetwerken in Quebec zeer lange lijnen, wat betekent dat de integratie van elektrische velden langs de lijnen een zeer hoge spanning heeft.”

De Verenigde Staten ontkwamen aan het leed van de geomagnetische storm van 1989 omdat deze toevallig meer geconcentreerd was boven de Canadese provincie.

Hoe een elektriciteitsnet reageert op een krachtige zonnestorm is in de eerste plaats een functie van drie factoren, zei Love.

De eerste is de intensiteit en lokaliteit van de storm zelf; de tweede is de geologische responsiviteit van de mineralen in elke regio op elektrische activiteit in de atmosfeer.

Love zegt dat een studie uit 2019 die tweede factor in kaart heeft gebracht over tweederde van de Verenigde Staten. Het onderzoek dat het resterende derde deel omvat – de zuidelijke en zuidwestelijke regio’s van de aaneengesloten 48 staten – zal binnen drie jaar zijn voltooid.

De derde factor heeft te maken met de oriëntatie van hoogspanningslijnen. Als het geo-elektrische veld tijdens een zonnestorm bijvoorbeeld noord-zuid wijst, zal het de hoogste spanningen induceren in elektrische leidingen die noord-zuid lopen. (Love merkte op dat, hoewel de geo-elektrische velden in een storm in het ergste geval slechts ongeveer een bescheiden 25 volt per kilometer bedragen, dat veld dan wordt geïntegreerd over de lengte van de elektriciteitsleiding. Dus voor elektriciteitsleidingen over lange afstanden die parallel lopen aan de geo-elektrische velden, kan de geïnduceerde spanning duizenden volts bedragen. Dat kan een ravage aanrichten in een elektriciteitsnet en in transformatoren die voor wisselstroom zijn ontworpen.)

Het ergste scenario, het scenario dat netexperts ’s nachts wakker houdt, deed zich voor het laatst voor in 1859. Het ontstond in een zonnevlam die op 1 september 1859 van het zonneoppervlak afstraalde en werd waargenomen door de Engelse amateur-astronomen Richard Carrington en Richard Hodgson.

Gelukkig genoeg had de wereld, toen de “Carrington-gebeurtenis” de aarde trof, nog maar weinig elektrische infrastructuur om te verstoren. Het waren vooral telegraafdraden langs spoorlijnen die de hoogspanningspieken voelden.

“Er wordt verwacht dat als we een herhaling van de storm van 1859 zouden krijgen, dit substantiële gevolgen zou kunnen hebben voor het elektriciteitsnet en andere technologie waar de moderne samenleving van afhankelijk is,” zei Love. En omdat veel van de huidige elektrische systemen zijn opgebouwd rond computerchips die niet bestand zijn tegen hoogspanningspieken, vreest men dat een moderne Carrington ook een deel van onze gecomputeriseerde wereld zou kunnen opblazen.

Dat maakt het bestuderen en van tevoren in kaart brengen van dit fenomeen des te belangrijker, aldus Love. Netbeheerders in Minnesota, North Dakota en Wisconsin en langs een strook van Maine naar Virginia in de oostelijke staten moeten erkennen dat ze harder getroffen kunnen worden dan andere regio’s in een geo-elektrische “perfecte storm.”

Deze beheerders hebben opties om te reageren, vooral als ze van tevoren zijn voorbereid. Ze kunnen extra opwekkingscapaciteit inschakelen, de stroom omleiden naar minder getroffen regio’s en beschikbare transformatoren uit een strategische voorraad omwisselen. Natuurlijk zouden er genoeg transformatoren in die voorraad moeten zitten om de eisen aan te kunnen die een grote geomagnetische storm aan het net zou kunnen stellen.

In 2015 hebben acht Amerikaanse elektriciteitsbedrijven een voorraad transformatoren aangelegd voor noodgebruik. Een door de Amerikaanse president Trump ondertekende uitvoerende order van maart 2019 instrueerde agentschappen om de veerkracht van het elektriciteitsnet tegen elektromagnetische pulsen te versterken. Dezelfde maand bracht de National Oceanic and Atmospheric Administration een nationale strategie en actieplan voor ruimteweer uit (een update van een plan uit 2015 dat in 2016 de aanzet gaf tot een werkgroep voor ruimteweer tussen de verschillende agentschappen). Dat zijn positieve stappen om voorbereid te zijn op eventuele toekomstige geo-elektrische stormen.

“Ruimteweereffecten die boven onze hoofden en de geologie onder onze voeten ontstaan… beïnvloeden onze technologische systemen,” zei Love. Wat we met deze kennis doen, is uiteindelijk aan ons.