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Ein kurzer Blick auf das National Grid zu erneuerbaren Energien
Eine neue 135-Millionen-Dollar-Forschungsanlage soll ein Rätsel lösen: Wie können sich Länder auf ein Energiesystem vorbereiten, das stark auf erneuerbare Energien setzt? Es kann auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit unter Belastung testen, zum Beispiel wenn die Nachfrage im Sommer stark ansteigt, weil die Klimatisierung das Netz belastet.
Im Raster: Kenny Gruchalla, leitender Wissenschaftler des NREL, untersucht das Geschwindigkeitsfeld einer Windturbinensimulation mit einem 3D-Modell in der Energy Systems Integration Facility in Golden, Colorado.
Da Wind- und Solarenergie intermittierend Strom liefern, stellen sie Netzbetreiber vor Herausforderungen. Auch andere neue Energietechnologien kommen online, darunter Elektrofahrzeuge, Energiespeicher, effiziente Gebäude, die den Stromverbrauch in Spitzenzeiten reduzieren, sowie kleine Erdgasgeneratoren und Brennstoffzellen. Die flächendeckende Integration dieser Technologien stellt Netzbetreiber vor Herausforderungen.
Der Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL) in Golden, Colorado, erstellt die Einrichtung für die Integration von Energiesystemen (ESIF), um zu verstehen, wie die Teile eines vielfältigeren Energiesystems am besten betrieben werden können. Mithilfe eines Supercomputers und einer Stromversorgungsausrüstung, die innerhalb der Anlage ein Megawatt-Mini-Grid erstellen können, können Produktingenieure und Versorgungsunternehmen die Auswirkungen neuer Technologien simulieren, ohne Probleme mit funktionierenden Netzen zu verursachen.
Regionen mit einem hohen Wind- und Solaranteil verlassen sich heute auf tägliche Vorhersagen und fossil befeuerte Kraftwerke in Bereitschaft, um einen zuverlässigen Betrieb aufrechtzuerhalten. Aber sobald erneuerbare Energien mehr als 20 Prozent der Kapazität ausmachen, brauchen Netzplaner ausgefeiltere Werkzeuge, sagt Benjamin Kroposki , Direktor für Energiesystemintegration bei NREL. Wir haben diese große Verschiebung gesehen. Wenn es uns gelingt, Kostenziele für einzelne Technologien zu erreichen, was dann? Sie müssen mit der Systemintegration beginnen, sagt er.
Ein NREL Analyse Die im letzten Jahr veröffentlichte Studie ergab, dass die USA mit einem flexibleren System bis 2050 80 Prozent ihres Stroms aus bestehenden erneuerbaren Energietechnologien beziehen könnten (siehe The U.S. Could Run on 80 Percent Renewable Electricity by 2050). Deutschland und Dänemark verfügen bereits über rund 20 Prozent erneuerbaren Strom, und Deutschland plant, bis 2050 rund 80 Prozent erneuerbare Energie sowohl beim Strom als auch beim Verkehr zu erreichen.
ESIF ist insofern einzigartig, als es über 15 verschiedene Labore verfügt, in denen Wissenschaftler testen können, wie das Stromnetz in die Brennstoff- und Wärmeinfrastruktur integriert ist, sagt Kroposki. Es verfügt auch über einen Supercomputer vor Ort, um die Forschung zu unterstützen. Man könnte ein Experiment entwerfen, um zu sehen, wie effektiv eine neue Art von Brennstoffzelle Gebäude sowohl mit Strom als auch mit Wärme versorgen würde. Oder, in einem futuristischeren Szenario, könnte überschüssiger Wind- und Sonnenstrom synthetisches Gas aus Wasserstoff und Abfall-Kohlendioxid erzeugen – Netzbetreiber würden dann die Erdgasinfrastruktur nutzen, um diese Energie zu speichern, sagt er.
Die Simulationstools sollen die Einführung von Energietechnologien beschleunigen. Versorgungsunternehmen sind vorsichtig, ungetestete Produkte in ihren Netzwerken bereitzustellen, ein seit langem bestehendes Geschäftsproblem für Smart-Grid-Startups, die auf Versorgungskunden abzielen. ESIF kann ein detailliertes Modell des spezifischen Netzwerks eines Versorgungsunternehmens erstellen und dann die Leistung tatsächlicher Hardwareprodukte anhand dieser Daten testen.
Zum Beispiel hat das Stadtwerk in Sacramento, Kalifornien, eine Wohnungsabteilung, in der die meisten Häuser über Sonnenkollektoren auf dem Dach verfügen. Es verfügt über verteilte Speicher, um Spannungseinbrüche beim Überziehen von Wolken auszugleichen. Mithilfe eines detaillierten Computermodells dieser Schaltung können Ingenieure von ESIF testen, ob kostengünstigere Solarwechselrichter das Problem lösen könnten. Sie müssen nicht losziehen und eine vollständige Replik erstellen und in ein echtes System integrieren, bevor Sie viele der Fehler herausgefunden haben, sagt Kroposki.
Der Supercomputer von ESIF wird komplexe Analysen durchführen, wie die Simulation der Platzierung von Windkraftanlagen an Tausenden von Standorten, sowie fortschrittliche Visualisierungen. Die Anlage verfügt über ein immersives Display, auf dem ein Wissenschaftler in einem dreidimensionalen Bild stehen kann, um beispielsweise die chemischen Bindungen in neuartigen Photovoltaikmaterialien zu untersuchen oder die Steigung einer Reihe von Windkraftanlagen zu ändern, um die Energiegewinnung zu optimieren. Die Möglichkeit, sich zu bewegen und mit Ihren Daten zu interagieren, ermöglicht es Ihnen, Erkenntnisse zu gewinnen, die Sie auf einem Flachbildschirm oder einer einfachen Grafik möglicherweise nicht sehen können, sagt Steven Hammond , dem Direktor des Computational Science Center am NREL.
Der Übergang zu einem nationalen Stromsystem, das hauptsächlich aus erneuerbaren Quellen stammt, wird wahrscheinlich Jahrzehnte dauern und große Änderungen in den Vorschriften der Versorgungsunternehmen erfordern (siehe Werden Versorgungsunternehmen dezentrale Energie übernehmen? ). Kurzfristig kann eine Einrichtung wie ESIF verteilte Netzprodukte in lokalen oder regionalen Netzen testen. Es könnte beispielsweise die Auswirkungen einer großen Anzahl von Elektrofahrzeugen und Dachsolarzellen in einem Viertel testen.
Der erste Benutzer des Labors mit Sitz in Colorado Fortschrittliche Energie , hat dort im Juni mit der Erprobung seines Solarwechselrichters im Versorgungsmaßstab begonnen, und das US-Verteidigungsministerium plant auch, Systeme zur Kraftstoffeinsparung zu testen.