211service.com
En tjuvtitt på det nationella nätet för förnybar energi
En ny forskningsanläggning på 135 miljoner dollar syftar till att lösa ett pussel: hur kan länder förbereda sig för ett energisystem som är starkt beroende av förnybar energi? Det kan också testa sätt att förbättra tillförlitligheten under stress, till exempel när efterfrågan stiger på sommaren när luftkonditioneringsbelastningen belastar nätet.
I rutnätet: NREL senior forskare Kenny Gruchalla undersöker hastighetsfältet från en vindturbinsimulering med en 3D-modell vid Energy Systems Integration Facility i Golden, Colorado.
Eftersom vind- och solenergi levererar ström intermittent skapar de utmaningar för nätoperatörerna. Andra nya energitekniker kommer också online, inklusive elfordon, energilagring, effektiva byggnader som minskar energianvändningen under högtrafik och småskaliga naturgasgeneratorer och bränsleceller. Att integrera dessa teknologier i stor skala innebär utmaningar för nätoperatörerna.
De Nationella laboratoriet för förnybar energi (NREL) i Golden, Colorado, skapade Integrationsanläggning för energisystem (ESIF) för att förstå hur man bäst använder delar av ett mer mångsidigt energisystem. Med hjälp av en superdator och kraftutrustning som kan skapa ett megawatt-skala mininät inom anläggningen, kan produktingenjörer och verktyg simulera effekten av ny teknik utan att orsaka problem med fungerande nät.
Regioner med en hög andel vind- och solenergi förlitar sig nu på dagliga prognoser och beredskapskraftverk för fossila bränslen för att upprätthålla tillförlitlig service. Men när förnybar energi är mer än 20 procent av kapaciteten behöver nätplanerare mer sofistikerade verktyg, säger Benjamin Kroposki , direktör för energisystemintegration på NREL. Vi såg denna stora förändring. Om vi lyckas nå kostnadsmålen för individuella teknologier, vad då? Man måste börja göra systemintegration, säger han.
En NREL analys som publicerades förra året fann att USA med ett mer flexibelt system skulle kunna få 80 procent av sin el från befintliga förnybara energiteknologier till 2050 (se USA skulle kunna köra på 80 procent förnybar el till 2050). Tyskland och Danmark har redan cirka 20 procent förnybar el och Tyskland planerar att uppnå cirka 80 procent förnybar energi, både inom elkraft och transporter, år 2050.
ESIF är unikt genom att det har 15 olika laboratorier som låter forskare testa hur elnätet integreras med bränslena och värmeinfrastrukturen, säger Kroposki. Den har också en superdator på plats för att underlätta forskningen. Man skulle kunna designa ett experiment för att se hur effektivt en ny typ av bränslecell skulle ge både el och värme till byggnader. Eller, i ett mer futuristiskt scenario, kan överskott av vind- och solenergi producera syntetisk gas från väte och avfall av koldioxid – nätoperatörer skulle sedan använda naturgasinfrastrukturen för att lagra den energin, säger han.
Simuleringsverktygen är utformade för att påskynda införandet av energiteknik. Verktyg är försiktiga med att distribuera oprövade produkter på sina nätverk, ett långvarigt affärsproblem för startups med smarta nät som riktar sig till allmännyttiga kunder. ESIF kan skapa en detaljerad modell av ett verktygs specifika nätverk och sedan testa prestandan för faktiska hårdvaruprodukter mot dessa data.
Till exempel har kommunalverket i Sacramento, Kalifornien, en bostadsavdelning där de flesta husen har solpaneler på taket. Den har distribuerat lagringsenheter för att kompensera för spänningsfall när moln passerar över. Genom att använda en detaljerad datormodell av den kretsen kan ingenjörer på ESIF testa om billigare solväxelriktare kan lösa problemet. Du behöver inte gå ut och bygga en fullskalig replik och integrera med ett riktigt system innan du får reda på många av buggarna, säger Kroposki.
Superdatorn på ESIF ska göra komplexa analyser, som att simulera placeringen av vindkraftverk på tusentals platser, samt avancerade visualiseringar. Anläggningen har en uppslukande display där en forskare kan stå i en tredimensionell bild för att till exempel undersöka de kemiska bindningarna i nya solcellsmaterial eller ändra stigningen på en rad vindkraftverk för att optimera energifångst. Att kunna flytta runt och interagera med din data gör att du kan få insikter som du kanske inte kan se på en platt skärm eller en enkel graf, säger Steven Hammond , direktören för det beräkningsvetenskapliga centret vid NREL.
Övergången till ett nationellt elsystem som mestadels drivs av förnybara källor kommer sannolikt att ta decennier och stora förändringar i allmännyttiga regleringar (se Kommer allmännyttiga företag att omfamna distribuerad energi?). På sikt kan en anläggning som ESIF testa distribuerade nätprodukter på lokala eller regionala nät. Det kan till exempel testa effekten av ett stort antal elfordon och solpaneler på taket i ett område.
Den första användaren av labbet, Colorado-baserad Avancerad energi , började testa sin solomriktare i nyttoskala där i juni, och det amerikanska försvarsdepartementet har också planer på att testa system för att minska bränslet.