10 años de innovación líder en sistemas energéticos

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Profundice en 10 innovaciones de la primera década del Fondo de Integración de Sistemas Energéticos del NREL

El día en que el Fondo para la Integración de Sistemas Energéticos (EIE) nació en septiembre de 2013, ya había hecho historia. Una maravilla arquitectónica, el diseño del ESIF coincidía con la ciencia que presentaría en la instalación: ciencia de sistemas energéticos radicalmente eficientes, que cruzan dominios y se infunden con datos. Construido junto a flujos de lava de 600 millones de años de antigüedad en el borde del Campus Sur de Table Mountain del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU., el ESIF se convirtió en un laboratorio viviente donde la investigación, el edificio y su equipo coevolucionan.

Durante los últimos 10 años, los Fondos EIE del NREL han incubado tecnologías fundamentales de energía limpia y han preparado al mundo para integrar esas tecnologías. El EIE y su personal han ayudado a comunidades y países a alcanzar cantidades récord de energía renovable y a empresas a explorar el borde innovador de la integración energética.

Como mecanismo para los usuarios, los Fondos EIE han mantenido un flujo constante de colaboraciones estrechas. Socios de diversos tamaños y alcances han diseñado soluciones en el ecosistema de ESIF, han aprovechado los datos y las herramientas computacionales de ESIF para catalizar descubrimientos o, literalmente, han trasladado a su propia gente y operaciones entre los equipos para una I+D de acceso total. Ahora, a medida que ESIF fusiona sus capacidades con el Campus Flatirons de NREL para formar la plataforma de investigación avanzada sobre sistemas de energía integrados (ARIES) de clase mundial, la marca ESIF de investigación integrada se elevará aún más.

Para recordar y celebrar algunos de los logros más duraderos de los Fondos EIE durante la última década, la siguiente lista, sin ningún orden en particular, resume 10 avances que representan toda su singularidad, previsión y continua importancia. Con estos logros, es difícil imaginar dónde estaría la energía renovable sin los Fondos EIE.

Uno de los primeros socios de los Fondos EIE llegó con un problema que resultó ser complicado. La Hawaiian Electric Company enfrentó y requirió con urgencia nuevos controles seguros para inversores, dispositivos que conectan energía renovable a la red. Los ingenieros de ESIF simularon el sistema hawaiano en el laboratorio (completo con inversores en el circuito) para recomendar los controles adecuados para estabilizar el voltaje de la red. Estos hallazgos se han convertido en una guía para otras islas que reducen su dependencia del combustible importado.

Conozca el Laboratorio Nacional de Energías Renovables Inverter — NREL | (YouTube)

Eso fue solo el comienzo. Un trabajo casi idéntico continúa hoy, sólo que más grande. Ahora los ingenieros se preguntan: "¿Cómo podemos gestionar un sistema con recursos 100 % basados ​​en inversores?", un objetivo que sólo es posible gracias a experimentos ESIF cada vez más avanzados. El ESIF ayudó a establecer los estándares actuales de inversores para la interconexión de redes y posteriormente ayudó en un producto ganador del premio R&D 100 que configura los puntos de ajuste de los inversores para optimizar las aplicaciones solares en tejados. Cuando una empresa de servicios públicos de California implementó la herramienta para mantenerse al día con el interés por la energía solar en los tejados, comenzaron a procesar las solicitudes en minutos en lugar de semanas. Incluso el diseño moderno de los microinversores debe algo de crédito a los primeros proyectos de los Fondos EIE.

Durante 10 años, el ESIF ha permitido a los investigadores diseñar e implementar controles de inversores en simulaciones hiperrealistas. Esa capacidad tiene mayor demanda que nunca y ARIES amplía las capacidades de validación de los Fondos EIE a nuevas posibilidades físicas y virtuales.

Cualquiera que visite el Fondo EIE por primera vez recordará un CUBO futurista y transparente que contiene un sistema móvil de formación de microrredes adecuado para emergencias o puestos militares; y un banco de pruebas de cocina, donde los controles de electrodomésticos evolucionaron hasta convertirse en un software galardonado para el hogar inteligente. Se trataba de proyectos exploratorios para una nueva dimensión de los sistemas energéticos: la controlabilidad en el borde de la red.

La microrred de Borrego Springs puede conectarse a una instalación solar de terceros para alimentar la ciudad. Foto cortesía de San Diego Gas & Electric Company, vía NREL.

Con el tiempo, el ESIF agregó hardware líder para el control de microrredes, un banco de pruebas para que las empresas de servicios públicos modernizaran sus sistemas de distribución y controles inventivos para la optimización de dispositivos en tiempo real. Esto permitió al EIE exportar sus soluciones únicas a rincones remotos del país con demostraciones escalables a nivel nacional. Una microrred desértica de tecnología mixta se basó en años de validación de los Fondos EIE para convertirse en la microrred de energía limpia más grande del mundo; un vecindario de viviendas asequibles se volvió neto cero con controles distribuidos y autónomos diseñados en el EIE; y bases militares compitieron por el controlador de microrred más resistente utilizando equipos ESIF.

Durante años, el EIE ha sido pionero en la implementación de sistemas avanzados de gestión de distribución, que otorgan a las empresas de servicios públicos y cooperativas los controles y la detección para explotar las oportunidades en el borde de la red. Este trabajo potencia las grandes transiciones de servicios públicos y ha inspirado estrategias para el control autónomo de millones de dispositivos y métodos para la recuperación inmediata de microrredes utilizando energía renovable.

Muchos tipos de vehículos eléctricos (VE) ligeros, medianos y pesados ​​han pasado por los Fondos EIE. En los laboratorios de estanterías altas se conecta ocasionalmente algún semirremolque o autobús escolar a emuladores de red. O, a veces, un grupo de vehículos eléctricos de consumo se cargan junto a una réplica de un edificio residencial. Este trabajo prepara los sistemas energéticos para el rápido aumento de la electrificación generalizada del transporte, como cuando los ingenieros de ESIF contribuyeron con el modelado de un distrito energéticamente eficiente orientado al tránsito y diseñaron controles de carga inteligentes que luego se validaron utilizando los garajes del personal de NREL.

Estación Peña SIGUIENTE: Visualización de un distrito de energía neta cero Laboratorio Nacional de Energías Renovables - NREL | (YouTube)

Los Fondos EIE siempre han abierto nuevas oportunidades para la integración de los vehículos eléctricos en la red. Los socios de vehículos acudieron primero al EIE para crear una interfaz abierta para que los vehículos eléctricos proporcionen servicios de red, luego para desarrollar un estándar universal de carga de alta potencia a escala de megavatios para camiones eléctricos pesados ​​y, recientemente, para estudiar mejoras en la ciberseguridad de la carga. estaciones. Ahora, con las incorporaciones a los Fondos EIE y ARIES, la investigación sobre vehículos eléctricos será más integrada, escalable y completa que nunca.

El investigador del NREL, Keith Davidson, aplica una fuerza de carga lateral al conector MCS mientras está encendido. Foto de Dennis Schroeder, NREL.

Se han producido logros en todos los niveles de la ciencia del hidrógeno entre las tuberías y las cámaras de alta presión del EIE. La instalación cuenta con una serie de equipos para producir, comprimir, almacenar, transportar y utilizar hidrógeno y, por supuesto, cómo integrar las tecnologías del hidrógeno con los sistemas energéticos.

A medida que la investigación de los Fondos EIE sobre el diseño de componentes y sistemas reducía los costos del hidrógeno, los ingenieros también diseñaban conexiones seguras y estandarizadas a la red de hidrógeno. El Fondo EIE ayudó a responder cómo las pilas de combustible pueden formar parte del sistema eléctrico y cómo los electrolizadores pueden capturar energía renovable restringida. Los Fondos EIE han desempeñado un papel especialmente destacado a la hora de conectar el hidrógeno con otras infraestructuras. Un ejemplo memorable es el biorreactor de 25 pies que originalmente despertó interés en rutas exóticas de residuos a combustible. El EIE ayudó a incubar el biorreactor desde el núcleo de una idea, a través de investigación y desarrollo colaborativo, hasta llegar a un piloto con una de las empresas de distribución de gas natural más grandes del país.

Los vehículos de hidrógeno, que se abastecen de combustible en las afueras, han tenido una presencia de por vida en el EIE. Cuando los vehículos ligeros de hidrógeno salieron a la calle por primera vez en cantidades apreciables, el EIE ayudó a estandarizar un proceso seguro de abastecimiento y puesta en servicio que todavía se utiliza en las estaciones de servicio de hidrógeno en la actualidad. Mientras tanto, los ingenieros del ESIF han reducido sistemáticamente los tiempos de combustible de los vehículos, estableciendo un récord para el reabastecimiento de combustible de vehículos pesados ​​en 2022, lo que podría abrir nuevas vías para que el hidrógeno reemplace los combustibles fósiles en el transporte por carretera de larga distancia con altas emisiones.

Se han producido logros en todos los niveles de la ciencia del hidrógeno entre las tuberías y las cámaras de alta presión del EIE. La instalación cuenta con una serie de equipos para producir, comprimir, almacenar, transportar y utilizar hidrógeno y, por supuesto, cómo integrar las tecnologías del hidrógeno con los sistemas energéticos.

A medida que la investigación de los Fondos EIE sobre el diseño de componentes y sistemas reducía los costos del hidrógeno, los ingenieros también diseñaban conexiones seguras y estandarizadas a la red de hidrógeno. El Fondo EIE ayudó a responder cómo las pilas de combustible pueden formar parte del sistema eléctrico y cómo los electrolizadores pueden capturar energía renovable restringida. Los Fondos EIE han desempeñado un papel especialmente destacado a la hora de conectar el hidrógeno con otras infraestructuras. Un ejemplo memorable es el biorreactor de 25 pies que originalmente despertó interés en rutas exóticas de residuos a combustible. El EIE ayudó a incubar el biorreactor desde el núcleo de una idea, a través de investigación y desarrollo colaborativo, hasta llegar a un piloto con una de las empresas de distribución de gas natural más grandes del país.

Los vehículos de hidrógeno, que se abastecen de combustible en las afueras, han tenido una presencia de por vida en el EIE. Cuando los vehículos ligeros de hidrógeno salieron a la calle por primera vez en cantidades apreciables, el EIE ayudó a estandarizar un proceso seguro de abastecimiento y puesta en servicio que todavía se utiliza en las estaciones de servicio de hidrógeno en la actualidad. Mientras tanto, los ingenieros del ESIF han reducido sistemáticamente los tiempos de combustible de los vehículos, estableciendo un récord para el reabastecimiento de combustible de vehículos pesados ​​en 2022, lo que podría abrir nuevas vías para que el hidrógeno reemplace los combustibles fósiles en el transporte por carretera de larga distancia con altas emisiones.

A medida que los ciberataques y las inclemencias del tiempo se convirtieron en una preocupación creciente durante la última década, el Fondo EIE movilizó rápidamente una base de investigación para la resiliencia energética. Un aumento de las amenazas cibernéticas sofisticadas impulsó a los ingenieros de ESIF a diseñar nuevas herramientas que pudieran monitorear las redes de datos en busca de anomalías energéticas, otras que pudieran autenticar las comunicaciones entre dispositivos de energía y otra que aprovechara la división de la red 5G para protegerse de ataques cibernéticos comunes. En los Fondos EIE, la ciberseguridad es ahora un enfoque transversal. Se combina especialmente con el trabajo en torno al control y la comunicación de dispositivos y con estrategias de resiliencia que utilizan microrredes.

Cyber ​​Range de NREL: un entorno virtual para evaluación a escala de alta fidelidad - NREL | (YouTube)

En una de las actualizaciones más importantes del EIE, se agregó un laboratorio dedicado a la ciberresiliencia con una herramienta NREL personalizada como pieza central: una gama cibernética para emular y visualizar cibersistemas energéticos. Este desarrollo ha acercado la órbita de la ciberseguridad al NREL, donde la capacitación de la fuerza laboral y las competencias estudiantiles sugieren un cambio radical hacia una generación consciente de la seguridad.

Desde el primer día, el centro de datos de computación de alto rendimiento (HPC) de ESIF fue diseñado para ser el más eficiente energéticamente del mundo. Alberga recursos de supercomputación de gran eficiencia energética que llamaron la atención y fue reconocido como Laboratorio del Año después de su debut en 2013 con su uso pionero de refrigeración líquida con agua caliente y recuperación de calor residual. Si bien el equipo HPC consume una energía considerable, los gastos generales para enfriar el centro de datos se han optimizado diligentemente. La mayoría de los centros de datos de producción utilizan entre un 40% y un 60% de energía adicional para refrigeración, mientras que el ESIF utiliza regularmente solo un 3% de energía adicional para enfriar los sistemas HPC en el centro de datos.

A lo largo de generaciones de supercomputadoras, el centro de datos siguió impresionando, demostrando ser el primer centro de datos libre de carbono del mundo, con la ayuda de una pila de combustible de hidrógeno y productos de refrigeración innovadores. El diseño récord en eficiencia hídrica redujo el uso de agua del centro de datos a la mitad y dio lugar a un producto comercial. El centro de datos ESIF sigue siendo el más eficiente energéticamente del mundo y respalda la innovación informática líder, y eso no dice nada sobre lo que nuestro HPC puede hacer.

Entre las ventajas de la HPC y los recursos de datos de alta potencia está la capacidad de visualizar experimentos, y el ESIF la aprovecha al máximo. Las visualizaciones 2D, 3D e inmersivas han sido un portal para nuevos conocimientos energéticos, como la perspectiva exacta necesaria para localizar impurezas en paneles solares u optimizar turbinas eólicas. Por ejemplo, las estelas turbulentas en los parques eólicos pueden desgastar las turbinas y reducir su eficiencia. Utilizando simulaciones de alta fidelidad, los ingenieros descubrieron estrategias de operación y diseño de plantas eólicas para mitigar esos impactos.

Una colaboración de investigación entre NREL y GE Global Research Center descubrió cómo las corrientes en chorro de bajo nivel afectan el rendimiento de los parques eólicos. Imagen de Nicholas Brunhart-Lupo, NREL.

Los ingenieros y socios de ESIF comentan que las visualizaciones científicas brindan una visión única de sus proyectos que de otro modo sería inaccesible. No sólo visual, sino también táctil y audible: los investigadores pueden existir en su ciencia. Los ingenieros detrás de las inmersiones de datos evocan regularmente nuevos entornos para imaginar fenómenos como el flujo de energía y la combustión de motores, lo que garantiza que la inmersión científica será una fuerza para el progreso renovable en los próximos años.

La informática de alto rendimiento abrió otra capacidad diferenciadora del EIE: la simulación y el diseño de todo el sistema. Este análisis de vanguardia cierra la brecha entre las ambiciones de energía limpia y su implementación en el mundo real. A través de programas como Energía Limpia para las Comunidades (C2C), las comunidades modelan y prueban planes de energía limpia que cumplan con sus prioridades antes de instalarlos en el campo. Esta capacidad reúne lo mejor de los Fondos EIE al servicio de las comunidades que plantean grandes preguntas sobre resiliencia, asequibilidad, equidad y salud. Los proyectos aprovechan simulaciones de redes de energía y sus clientes, hardware real en el circuito y análisis de escenarios para estudiar décadas en el futuro. Con estos ingredientes, la HPC en los Fondos EIE ha permitido a las comunidades, ciudades y países jugar con las variables y proyectar sus decisiones futuras.

Estos proyectos suelen convertirse en la base de inversiones energéticas históricas. La supercomputación en los Fondos EIE tuvo un papel histórico en el modelado de cómo interconectar el sistema eléctrico nacional a través de las vetas de transmisión y, poco después, un futuro con bajas emisiones de carbono para toda América del Norte. Presentó a Los Ángeles caminos para la descarbonización y ahora está haciendo lo mismo con Puerto Rico y Lituania. Los gobiernos no pueden analizar todos los costos, intereses y políticas que afectan las transiciones energéticas, pero el HPC de los Fondos EIE sí puede, y está mejor equipado que nunca para la planificación de grandes sistemas.

Conozca LA100: Estudio de energía 100% renovable de Los Ángeles, NREL | (YouTube)

El futuro de los Fondos EIE es inseparable de ARIES. ESIF seguirá siendo una base para experimentos de implementación e integración de tecnología a una escala de hasta 2 MW, mientras que Flatirons Campus agregará escala y alcance tecnológico hasta 20 MW, y un entorno de emulación virtual proporcionará una escala esencialmente ilimitada. ARIES podrá respaldar todo, desde el ajuste de la integración de dispositivos hasta implementaciones multitecnológicas complejas a escalas local, regional y nacional.

El cruce seguirá siendo cercano entre ESIF y ARIES. Por ejemplo, el centro de datos y el laboratorio de resiliencia y seguridad energética del ESIF se combinan para proporcionar el espacio de emulación virtual para modelar y visualizar sistemas ciberfísicos. U otra sinergia, la infraestructura de hardware en el circuito de los Fondos EIE (todos los edificios, vehículos, hidrógeno y tecnologías de red) se puede vincular a los activos de hardware en el circuito de ARIES, como turbinas eólicas comerciales, paneles solares y baterías. sistemas energéticos.

Los ESIF y ARIES son ahora un conjunto de equipos de investigación de redes que cubren la generación, transmisión, distribución y uso de energía. Su fuerza combinada se multiplica por la capacidad de modelar, virtualizar y cosimular sistemas y mediante hardware en el circuito de diversos dispositivos y controladores de energía multifísicos. Con ARIES, los Fondos EIE están equipados para los desafíos que se avecinan en las transiciones de los sistemas energéticos.

El EIE es la instalación de usuario insignia de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del Departamento de Energía (DOE), pero, fiel al enfoque en la integración, muchas oficinas diferentes del DOE han lanzado proyectos dentro de la instalación y capacidades patrocinadas que hacen el trabajo posible. Los Fondos EIE son producto de las aportaciones de las oficinas de programas de EERE; la Oficina de Ciberseguridad, Seguridad Energética y Respuesta a Emergencias; la Oficina de Electricidad; el Programa Federal de Gestión de la Energía; la Iniciativa de Modernización de la Red; y la Oficina de Campo Dorada del DOE. Además, más de 300 socios externos han participado en la investigación de los Fondos EIE durante la década anterior.

La configuración versátil de las capacidades de investigación y la administración diligente del equipo de Operaciones del ESIF hacen posible este nivel de productividad y garantiza que el ESIF pueda pivotar para enfrentar nuevos desafíos de integración de sistemas y preguntas de investigación a medida que surjan.

¿Lo que nos espera? En los sistemas energéticos, las nuevas direcciones parecen estar a sólo un descubrimiento de distancia. Pero cualesquiera que sean las tecnologías e ideas que despeguen, probablemente pasarán por el EIE, donde investigadores y equipos de operaciones ansiosos adaptarán espacios de laboratorio e inventarán capacidades para proporcionar un vínculo con la integración del mundo real y donde los usuarios convergerán y construirán puntos en común. De esta manera, los Fondos EIE continúan evolucionando con los sistemas energéticos para prepararnos para los desafíos venideros.

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Por Connor O'Neil y Moriah Petty. Artículo cortesía de NREL.

La misión del Departamento de Energía de EE. UU. es garantizar la seguridad y la prosperidad de Estados Unidos abordando sus desafíos energéticos, ambientales y nucleares a través de soluciones científicas y tecnológicas transformadoras. Aprende más.

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