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Un'anteprima della rete nazionale sulle energie rinnovabili
Una nuova struttura di ricerca da 135 milioni di dollari mira a risolvere un enigma: come possono i paesi prepararsi per un sistema energetico che si basa fortemente sulle energie rinnovabili? Può anche testare modi per migliorare l'affidabilità in condizioni di stress, ad esempio quando la domanda aumenta in estate poiché il carico dell'aria condizionata grava sulla rete.
Nella griglia: Lo scienziato senior della NREL Kenny Gruchalla esamina il campo di velocità da una simulazione di una turbina eolica utilizzando un modello 3D presso l'Energy Systems Integration Facility a Golden, in Colorado.
Poiché l'energia eolica e solare forniscono energia in modo intermittente, creano sfide per gli operatori di rete. Anche altre nuove tecnologie energetiche stanno arrivando online, inclusi veicoli elettrici, accumulo di energia, edifici efficienti che riducono il consumo di energia durante le ore di punta e generatori di gas naturale su piccola scala e celle a combustibile. L'integrazione di queste tecnologie su larga scala presenta sfide per gli operatori di rete.
Il Laboratorio Nazionale Energie Rinnovabili (NREL) a Golden, in Colorado, ha creato il Struttura di integrazione dei sistemi energetici (ESIF) per capire come far funzionare al meglio i pezzi di un sistema energetico più diversificato. Basandosi su un supercomputer e apparecchiature elettriche in grado di creare una mini-rete su scala megawatt all'interno della struttura, gli ingegneri di prodotto e le utility possono simulare l'impatto delle nuove tecnologie senza causare problemi alle reti funzionanti.
Le regioni con un'alta percentuale di energia eolica e solare ora si affidano a previsioni giornaliere e centrali elettriche a combustibili fossili in stand-by per mantenere un servizio affidabile. Ma una volta che l'energia rinnovabile è più del 20 percento della capacità, i pianificatori della rete hanno bisogno di strumenti più sofisticati, afferma Benjamin Kroposki , direttore dell'integrazione dei sistemi energetici presso NREL. Abbiamo visto questo grande cambiamento. Se riusciamo a raggiungere gli obiettivi di costo per le singole tecnologie, allora cosa? Devi iniziare a fare l'integrazione dei sistemi, dice.
un NREL analisi pubblicato lo scorso anno ha scoperto che, con un sistema più flessibile, gli Stati Uniti potrebbero ottenere l'80% della propria elettricità dalle tecnologie di energia rinnovabile esistenti entro il 2050 (vedi Gli Stati Uniti potrebbero funzionare con l'80% di elettricità rinnovabile entro il 2050). La Germania e la Danimarca hanno già circa il 20% di elettricità rinnovabile e la Germania prevede di raggiungere circa l'80% di energia rinnovabile, sia nell'energia elettrica che nei trasporti, entro il 2050.
ESIF è unico in quanto dispone di 15 diversi laboratori che consentono agli scienziati di testare come la rete elettrica si integra con i combustibili e le infrastrutture di riscaldamento, afferma Kroposki. Ha anche un supercomputer in loco per aiutare la ricerca. Si potrebbe progettare un esperimento per vedere quanto efficacemente un nuovo tipo di cella a combustibile fornirebbe sia elettricità che riscaldamento agli edifici. Oppure, in uno scenario più futuristico, l'energia eolica e solare in eccesso potrebbe produrre gas sintetico da idrogeno e anidride carbonica di scarto: gli operatori della rete utilizzerebbero quindi l'infrastruttura del gas naturale per immagazzinare quell'energia, afferma.
Gli strumenti di simulazione sono progettati per accelerare l'adozione delle tecnologie energetiche. Le utility sono caute nel distribuire prodotti non testati sulle loro reti, un problema aziendale di lunga data per le startup di smart grid che prendono di mira i clienti delle utility. ESIF può creare un modello dettagliato della rete specifica di un'utilità e quindi testare le prestazioni dei prodotti hardware effettivi rispetto a tali dati.
Ad esempio, l'utility municipale di Sacramento, in California, ha una divisione abitativa in cui la maggior parte delle case ha pannelli solari sul tetto. Dispone di unità di archiviazione distribuite per compensare i cali di tensione quando le nuvole passano. Utilizzando un modello computerizzato dettagliato di quel circuito, gli ingegneri di ESIF possono verificare se gli inverter solari meno costosi potrebbero risolvere il problema. Non devi uscire e costruire una replica in scala reale e integrarla con un sistema reale prima di aver capito molti dei bug, afferma Kroposki.
Il supercomputer dell'ESIF effettuerà analisi complesse, come la simulazione del posizionamento di turbine eoliche in migliaia di località, nonché visualizzazioni avanzate. La struttura dispone di un display immersivo in cui uno scienziato può stare all'interno di un'immagine tridimensionale per, ad esempio, esaminare i legami chimici in nuovi materiali fotovoltaici o modificare il passo di una serie di turbine eoliche per ottimizzare la cattura di energia. Essere in grado di muoversi e interagire con i tuoi dati ti consente di ottenere informazioni che potresti non essere in grado di vedere su uno schermo piatto o su un semplice grafico, afferma Steven Hammond , il direttore del centro di scienza computazionale al NREL.
La transizione verso un sistema elettrico nazionale alimentato principalmente da fonti rinnovabili richiederà probabilmente decenni e grandi cambiamenti nelle normative sulle utenze (vedi Le utility abbracceranno l'energia distribuita?). A breve termine, una struttura come i fondi SIE può testare prodotti di rete distribuiti su reti locali o regionali. Ad esempio, potrebbe testare l'impatto di un gran numero di veicoli elettrici e pannelli solari sul tetto in un quartiere.
Il primo utente del laboratorio, con sede in Colorado Energia avanzata , ha iniziato a testare il suo inverter solare su scala industriale a giugno e anche il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha in programma di testare i sistemi per ridurre il carburante.