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Un adelanto de la red nacional de energías renovables
Una nueva instalación de investigación de $ 135 millones tiene como objetivo resolver un rompecabezas: ¿cómo pueden los países prepararse para un sistema energético que depende en gran medida de las energías renovables? También puede probar formas de mejorar la confiabilidad bajo estrés, por ejemplo, cuando la demanda se dispara en el verano cuando la carga del aire acondicionado afecta la red.
En la cuadrícula: El científico senior de NREL Kenny Gruchalla examina el campo de velocidad de una simulación de turbina eólica utilizando un modelo 3-D en la Instalación de Integración de Sistemas de Energía en Golden, Colorado.
Debido a que la energía eólica y solar suministran energía de manera intermitente, crean desafíos para los operadores de la red. También se están poniendo en funcionamiento otras nuevas tecnologías energéticas, incluidos los vehículos eléctricos, el almacenamiento de energía, los edificios eficientes que reducen el uso de energía durante las horas pico y los generadores de gas natural y las pilas de combustible a pequeña escala. La integración de estas tecnologías a gran escala presenta desafíos para los operadores de redes.
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) en Golden, Colorado, creó el Instalación de integración de sistemas de energía (Fondos EIE) para comprender cómo operar mejor las piezas de un sistema energético más diverso. Basándose en una supercomputadora y equipos de energía que pueden crear una mini red a escala de megavatios dentro de la instalación, los ingenieros de productos y las empresas de servicios públicos pueden simular el impacto de las nuevas tecnologías sin causar problemas al funcionamiento de las redes.
Las regiones con un alto porcentaje de energía eólica y solar ahora dependen de los pronósticos diarios y las plantas de energía de combustibles fósiles en espera para mantener un servicio confiable. Pero una vez que la energía renovable es más del 20 por ciento de la capacidad, los planificadores de la red necesitan herramientas más sofisticadas, dice Benjamín Kroposki , director de integración de sistemas energéticos en NREL. Vimos este gran cambio. Si tenemos éxito en alcanzar los objetivos de costos para tecnologías individuales, ¿entonces qué? Debe comenzar a hacer integración de sistemas, dice.
Un NREL análisis publicado el año pasado descubrió que, con un sistema más flexible, los EE. UU. podrían obtener el 80 por ciento de su electricidad de las tecnologías de energía renovable existentes para 2050 (consulte Los EE. UU. podrían funcionar con un 80 por ciento de electricidad renovable para 2050). Alemania y Dinamarca ya tienen alrededor del 20 por ciento de electricidad renovable y Alemania planea lograr alrededor del 80 por ciento de energía renovable, tanto en energía eléctrica como en transporte, para 2050.
ESIF es único porque tiene 15 laboratorios diferentes que permiten a los científicos probar cómo se integra la red eléctrica con los combustibles y la infraestructura de calefacción, dice Kroposki. También tiene una supercomputadora en el lugar para ayudar a la investigación. Se podría diseñar un experimento para ver con qué eficacia un nuevo tipo de pila de combustible proporcionaría electricidad y calefacción a los edificios. O, en un escenario más futurista, el exceso de energía eólica y solar podría producir gas sintético a partir de hidrógeno y dióxido de carbono residual; los operadores de la red utilizarían la infraestructura de gas natural para almacenar esa energía, dice.
Las herramientas de simulación están diseñadas para acelerar la adopción de tecnologías energéticas. Las empresas de servicios públicos desconfían de implementar productos no probados en sus redes, un problema comercial de larga data para las nuevas empresas de redes inteligentes que se dirigen a los clientes de servicios públicos. Los Fondos EIE pueden crear un modelo detallado de la red específica de una empresa de servicios públicos y luego probar el rendimiento de los productos de hardware reales con esos datos.
Por ejemplo, la empresa de servicios públicos municipal de Sacramento, California, tiene una división de viviendas donde la mayoría de las casas tienen paneles solares en la azotea. Tiene unidades de almacenamiento distribuidas para compensar las caídas de voltaje cuando pasan las nubes. Mediante el uso de un modelo informático detallado de ese circuito, los ingenieros de ESIF pueden probar si los inversores solares menos costosos podrían solucionar el problema. No es necesario salir y construir una réplica a gran escala e integrarse con un sistema real antes de que se resuelvan muchos de los errores, dice Kroposki.
La supercomputadora de ESIF realizará análisis complejos, como simular la ubicación de turbinas eólicas en miles de ubicaciones, así como visualizaciones avanzadas. La instalación tiene una pantalla inmersiva donde un científico puede pararse dentro de una imagen tridimensional para, por ejemplo, examinar los enlaces químicos en materiales fotovoltaicos novedosos o cambiar el tono de una matriz de turbinas eólicas para optimizar la captura de energía. Poder moverse e interactuar con sus datos le permite obtener información que quizás no pueda ver en una pantalla plana o en un gráfico simple, dice Steven Hammond , director del centro de ciencias computacionales de NREL.
La transición a un sistema eléctrico nacional alimentado principalmente por fuentes renovables probablemente llevará décadas y grandes cambios en las regulaciones de las empresas de servicios públicos (consulte ¿Las empresas de servicios públicos adoptarán la energía distribuida?). A corto plazo, una instalación como los Fondos EIE puede probar productos de redes distribuidas en redes locales o regionales. Por ejemplo, podría probar el impacto de una gran cantidad de vehículos eléctricos y paneles solares en la azotea en un vecindario.
El primer usuario del laboratorio, con sede en Colorado Energía avanzada , comenzó a probar su inversor solar a escala de servicios públicos allí en junio, y el Departamento de Defensa de EE. UU. también tiene planes de probar sistemas para reducir el combustible.