Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory hebben onlangs een nieuwe technologie gedemonstreerd om beter te controleren hoe stroom van en naar commerciële gebouwen die zijn uitgerust met zonne-, wind- of andere hernieuwbare energieopwekking.

"We creëren een elektriciteitsnet van de toekomst waarmee hernieuwbare energie op de meest effectieve manier kan worden ingezet", zegt Madhu Chinthavali van ORNL, die het onderzoek leidt. "Met deze nieuwe netwerkinterface-architectuur kunnen operators energiestromen veel zinvoller regelen, zelfs wanneer de energieopwekking gedecentraliseerd is."

Hernieuwbare energie is van cruciaal belang om de Amerikaanse elektriciteitssector te helpen de nationale doelstellingen voor het koolstofvrij maken te bereiken. Maar ze voegen ook onzekerheid toe aan het elektriciteitsnet omdat ze ongelijk beschikbaar zijn in het hele land en met tussenpozen elektriciteit opwekken. Het ontwikkelen en coördineren van vermogenselektronische systemen om deze bronnen gemakkelijker op te nemen, is van vitaal belang voor het creëren van een veerkrachtiger netwerk voor betrouwbare elektriciteit.

Het onderzoeksteam van Chinthavali ontwierp een hybride AC/DC-vermogenselektronica-hub om te fungeren als poortwachter tussen het grotere netwerk en subsystemen, waaronder hernieuwbare energiebronnen, generatoren en batterijopslag. De technologie is ontwikkeld en getest in het Grid Research Integration and Deployment Center van het Department of Energy, of GRID-C, bij ORNL.

GRID-C biedt een uniek platform voor het bouwen van vermogenselektronica-systemen, te beginnen met het kleinste onderdeel en vervolgens het testen en demonstreren van volledige systemen die zowel hardware als simulatie bevatten. In het laagspanningslaboratorium bevinden zich rijen metalen containers met door ORNL ontwikkelde vermogenselektronica-omzetters, snoeren die dikker zijn dan een pols en eindigen in stekkers zo breed als een plaat. Deze converters leveren verschillende stroomniveaus aan elektrische voedingen op basis van verschillende scenario's. Ze zijn gekoppeld aan even grote vermogensemulators die de energie kunnen nabootsen die wordt geleverd door een zonnepaneel of een batterijsysteem. Dankzij enorme touchscreens kunnen technici het systeem herschikken en de werking ervan aanpassen.

ORNL-ingenieurs hebben de vermogenselektronica-hub ontworpen om te regelen hoe de converters met elkaar en met het net omgaan. Emulators zijn opgezet om het elektriciteitsverbruik en de opwekking van een zonnepaneel, een accu, een noodgenerator en een kritisch datacenter met een hoge elektrische vraag na te bootsen. De vermogenselektronica-hub is geprogrammeerd om de stroom van al deze elektrische belastingen autonoom te beheren, waardoor fluctuaties in vraag en aanbod op het bredere elektriciteitsnet worden voorkomen.

De hub voor vermogenselektronica vervult de rol van middenmanager tussen het grotere elektriciteitsnet en de lokale vermogenselektronica. "In plaats van dat het hulpprogramma met bijvoorbeeld een miljoen bronnen praat, vermindert deze technologie dat aantal met een factor 10", zegt Michael Starke van ORNL, hoofdsoftware-architect voor het project. "Vanuit het oogpunt van een nutsbedrijf functioneert alle apparatuur die wordt beheerd door de vermogenselektronica-hub als één systeem."

Dit is een voordeel voor energiebedrijven die worden geconfronteerd met het integreren van gedistribueerde en intermitterende energie uit zonne-, wind-, geothermische en andere hernieuwbare bronnen in een eeuwenoud netwerk dat is ontworpen om gestage energiestromen uit gecentraliseerde energiecentrales te duwen.

Vergelijkbare concepten zijn getest door sommige hulpprogramma's, maar deze benaderingen gebruiken de eigen producten van een enkele leverancier op een voorgeschreven manier, zei Starke. Omdat ORNL de vermogenselektronische omvormers en veel van de componenten heeft geconstrueerd, is de resulterende technologie vrij beschikbaar en kan deze worden aangepast om specifieke doelen te bereiken.

Experimenten van het team van Chinthavali hebben bijvoorbeeld aangetoond dat de vermogenselektronica-hub prioriteit kan geven aan het leveren van de meeste kostenbesparingen aan systemen die eigendom zijn van de klant of het leveren van een consistente stroomvoorziening voor nutsvoorzieningen. Onderzoekers van ORNL hebben aangetoond dat deze doelstellingen direct in de hard- en software kunnen worden geïntegreerd en hebben ook de ondersteunende communicatie- en besturingsinfrastructuur ontwikkeld.

"Het begint met het pretesten en pre-automatiseren van systemen die eenvoudig kunnen worden opgeschaald en snel kunnen worden ingezet", zegt Chinthavali, eraan toevoegend dat het project heeft geleid tot drie patentaanvragen. "We proberen systemen te standaardiseren, zodat ze interoperabel zijn." Het was een mijlpaal die alleen mogelijk was dankzij de mogelijkheden van ORNL in GRID-C. "Dit is de enige plek waar we zowel de software als de hardware kunnen ontwikkelen om ons volledig voor te bereiden op de implementatie van deze technologie in de industrie", zei Chinthavali.

Verschillende industrieën zouden aanzienlijke voordelen kunnen zien. De technologie kan worden gebruikt door een bouwer of eigenaar van een gebouw om geld en energie te besparen, of het kan worden geïnstalleerd door een nutsbedrijf voor verbeterde stroomregeling en betrouwbaarheid. Het team gaat naar de volgende stap in het onderzoek:het vervangen van krachtigere, commerciële converters die rechtstreeks van de industrie zijn beveiligd. Dit zal aantonen dat de vermogenselektronicahub de megawatt aan stroom kan beheren die wordt verwerkt door elektriciteitsbedrijven met behulp van componenten van commerciële leveranciers.

Het ORNL-team dat de hub voor vermogenselektronica heeft ontwikkeld, omvat Steven Campbell, hoofdarchitect voor systeemintegratie; Ben Dean, ontwikkelaar van communicatie-interfaces; Jonathan Harter, hardware systems specialist; and Rafal Wojda, magnetic systems specialist.

"We're now working on how to extend these power electronics hubs from small scale to thousands working together, coordinating to deliver energy as needed from all sorts of different angles and different sources," Starke said. "We're trying to show that the power electronics hub can act like a battery almost, pushing power in and out under our control. That provides all kinds of flexibility to the grid that wasn't there before."

The power electronics hub is an example of the type of technology developed in GRID-C that could be deployed with a potential consortium of partners. ORNL held an interest meeting today with stakeholders from industry, utilities and research institutions to discuss power electronics challenges and strategies. Participants discussed a possible framework for an organization to accelerate development and deployment of power electronics systems for managing the electric grid of the future. + Verder verkennen

World's largest flow battery energy storage station connected to grid