Desde la izquierda, Michael Starke, Steven Campbell y Madhu Chinthavali de ORNL analizan la configuración del concentrador de electrónica de potencia demostrada con hardware en el laboratorio de bajo voltaje en GRID-C. Crédito:Carlos Jones/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge demostraron recientemente una nueva tecnología para controlar mejor cómo fluye la energía hacia y desde los edificios comerciales equipados con energía solar, eólica u otra generación de energía renovable.
"Estamos creando una red eléctrica del futuro que permita que la energía renovable se implemente de la manera más efectiva", dijo Madhu Chinthavali de ORNL, quien dirige la investigación. "Con esta nueva arquitectura de interfaz de red, los operadores pueden controlar los flujos de energía de manera mucho más significativa, incluso cuando la generación de energía está descentralizada".
La energía renovable es clave para ayudar al sector eléctrico de EE. UU. a alcanzar los objetivos nacionales de descarbonización. Pero también agregan incertidumbre a la red eléctrica porque están disponibles de manera desigual en todo el país y generan electricidad de manera intermitente. Desarrollar y coordinar sistemas electrónicos de potencia para incorporar estos recursos más fácilmente es vital para crear una red más resistente para una electricidad confiable.
El equipo de investigación de Chinthavali diseñó un concentrador de electrónica de potencia de CA/CC híbrido para actuar como un guardián entre la red más grande y los subsistemas, incluidas las energías renovables, los generadores y el almacenamiento de baterías. La tecnología fue desarrollada y probada en el Centro de Implementación e Integración de Investigación de Redes del Departamento de Energía, o GRID-C, en ORNL.
GRID-C ofrece una plataforma única para construir sistemas electrónicos de potencia, comenzando con el componente más pequeño, luego probando y demostrando sistemas completos que incorporan tanto hardware como simulación. En el laboratorio de bajo voltaje, las filas de contenedores de metal albergan convertidores electrónicos de potencia desarrollados por ORNL, arrastrando cables más gruesos que una muñeca y terminando en enchufes tan anchos como un plato. Estos convertidores proporcionan diferentes niveles de potencia a las alimentaciones eléctricas en función de diferentes escenarios. Se combinan con emuladores de energía igualmente grandes que pueden imitar la energía entregada por un panel solar o un sistema de batería. Las enormes pantallas táctiles permiten a los ingenieros reorganizar el sistema y modificar su funcionamiento.
Los ingenieros de ORNL diseñaron el centro de electrónica de potencia para controlar cómo interactúan los convertidores entre sí y con la red. Los emuladores están configurados para imitar el consumo eléctrico y la generación de un panel solar, una batería de almacenamiento, un generador de emergencia y un centro de datos crítico con alta demanda eléctrica. El centro de electrónica de potencia se programó para administrar de manera autónoma el flujo de energía de todas estas cargas eléctricas, lo que ayuda a prevenir fluctuaciones en el suministro y la demanda en la red eléctrica más amplia.
El centro de electrónica de potencia desempeña el papel de un administrador intermedio entre la red eléctrica más grande y la electrónica de potencia local. "En lugar de que la empresa de servicios públicos hable con, digamos, un millón de recursos, esta tecnología reduce ese número en un factor de 10", dijo Michael Starke de ORNL, arquitecto de software líder del proyecto. "Desde el punto de vista de una empresa de servicios públicos, todo el equipo administrado por el concentrador de electrónica de potencia funciona como un solo sistema".
Esta es una ventaja para las compañías eléctricas que se enfrentan a la incorporación de energía distribuida e intermitente de fuentes solares, eólicas, geotérmicas y otras fuentes renovables en una red centenaria que fue diseñada para impulsar flujos constantes de energía fuera de las centrales eléctricas centralizadas.
Algunas empresas de servicios públicos han probado conceptos similares, pero estos enfoques utilizan los productos patentados de un solo proveedor de manera prescrita, dijo Starke. Debido a que ORNL construyó los convertidores electrónicos de potencia y muchos de los componentes, la tecnología resultante está abiertamente disponible y se puede personalizar para lograr objetivos específicos.
Por ejemplo, los experimentos realizados por el equipo de Chinthavali han demostrado que el centro de electrónica de potencia puede priorizar proporcionar el mayor ahorro de costos a los sistemas propiedad del cliente o proporcionar un suministro constante de energía para los sistemas de servicios públicos. Los investigadores de ORNL demostraron que estos objetivos se pueden integrar directamente en el hardware y el software, y también han desarrollado la infraestructura de comunicación y control de apoyo.
"Comienza con la prueba previa y la automatización previa de los sistemas que se pueden escalar e implementar rápidamente", dijo Chinthavali, y agregó que el proyecto ha dado lugar a tres solicitudes de patentes. "Estamos tratando de estandarizar los sistemas para que sean interoperables". Ir más allá del modelado para demostrar la tecnología en hardware cableado fue un hito que solo fue posible gracias a las capacidades de ORNL en GRID-C. "Este es el único lugar donde podríamos desarrollar tanto el software como el hardware para prepararnos completamente para implementar esta tecnología en la industria", dijo Chinthavali.
Varias industrias podrían ver beneficios significativos. La tecnología podría ser utilizada por un constructor o propietario de un edificio para ahorrar dinero y energía, o podría ser instalada por una empresa de servicios públicos para mejorar el control y la confiabilidad de la energía. El equipo está avanzando al siguiente paso en la investigación:sustituir convertidores comerciales de mayor potencia obtenidos directamente de la industria. Esto demostrará que el centro de electrónica de potencia puede administrar los megavatios de energía manejados por las empresas eléctricas utilizando componentes de proveedores comerciales.
El equipo de ORNL que desarrolló el centro de electrónica de potencia incluye a Steven Campbell, arquitecto principal de integración de sistemas; Ben Dean, communication interface developer; 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. World's largest flow battery energy storage station connected to grid
