Da sinistra, Michael Starke, Steven Campbell e Madhu Chinthavali di ORNL discutono della configurazione dell'hub di elettronica di potenza dimostrata con l'hardware nel laboratorio di bassa tensione a GRID-C. Credito:Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory hanno recentemente dimostrato una nuova tecnologia per controllare meglio il modo in cui l'energia scorre da e verso gli edifici commerciali dotati di energia solare, eolica o di altra generazione di energia rinnovabile.
"Stiamo creando una rete elettrica del futuro che consenta di utilizzare l'energia rinnovabile nel modo più efficace", ha affermato Madhu Chinthavali di ORNL, che guida la ricerca. "Con questa nuova architettura di interfaccia di rete, gli operatori possono controllare i flussi di energia in modo molto più significativo, anche quando la produzione di energia è decentralizzata."
L'energia rinnovabile è fondamentale per aiutare il settore elettrico statunitense a raggiungere gli obiettivi nazionali di decarbonizzazione. Ma aggiungono anche incertezza alla rete elettrica perché sono disponibili in modo non uniforme in tutto il paese e generano elettricità in modo intermittente. Lo sviluppo e il coordinamento dei sistemi elettronici di potenza per incorporare queste risorse più facilmente è fondamentale per creare una rete più resiliente per un'elettricità affidabile.
Il team di ricerca di Chinthavali ha progettato un hub ibrido per l'elettronica di potenza AC/DC per fungere da gatekeeper tra la rete più ampia e i sottosistemi, comprese le energie rinnovabili, i generatori e lo stoccaggio della batteria. La tecnologia è stata sviluppata e testata presso il Grid Research Integration and Deployment Center del Dipartimento dell'Energia, o GRID-C, presso ORNL.
GRID-C offre una piattaforma unica per la realizzazione di sistemi elettronici di potenza, partendo dal componente più piccolo, per poi testare e dimostrare sistemi completi che incorporano sia hardware che simulazione. Nel laboratorio di bassa tensione, file di contenitori di metallo ospitano convertitori elettronici di potenza sviluppati da ORNL, cavi più spessi di un polso e terminanti con spine larghe quanto una piastra. Questi convertitori forniscono diversi livelli di alimentazione alle alimentazioni elettriche in base a diversi scenari. Sono accoppiati con emulatori di potenza altrettanto grandi che possono imitare l'energia fornita da un pannello solare o da un sistema di batterie. Gli enormi touchscreen consentono agli ingegneri di riorganizzare il sistema e modificarne il funzionamento.
Gli ingegneri ORNL hanno progettato l'hub dell'elettronica di potenza per controllare il modo in cui i convertitori interagiscono tra loro e la rete. Gli emulatori sono impostati per simulare l'assorbimento elettrico e la generazione di un array solare, una batteria di accumulo, un generatore di emergenza e un data center critico con un'elevata domanda elettrica. L'hub dell'elettronica di potenza è stato programmato per gestire autonomamente il flusso di potenza di tutti questi carichi elettrici, aiutando a prevenire le fluttuazioni della domanda e dell'offerta sulla rete elettrica più ampia.
L'hub dell'elettronica di potenza svolge il ruolo di intermediario tra la rete elettrica più ampia e l'elettronica di potenza locale. "Invece dell'utilità che parla con, diciamo, un milione di risorse, questa tecnologia riduce quel numero di un fattore 10", ha affermato Michael Starke di ORNL, capo architetto del software per il progetto. "Dal punto di vista dell'utility, tutte le apparecchiature gestite dall'hub dell'elettronica di potenza funzionano come un unico sistema."
Questo è un vantaggio per le società elettriche che devono incorporare energia distribuita e intermittente da solare, eolica, geotermica e altre fonti rinnovabili in una rete secolare progettata per spingere flussi costanti di energia fuori dalle centrali elettriche centralizzate.
Concetti simili sono stati testati da alcune utility, ma questi approcci utilizzano i prodotti proprietari di un singolo fornitore in un modo prescritto, ha affermato Starke. Poiché ORNL ha costruito i convertitori elettronici di potenza e molti dei componenti, la tecnologia risultante è apertamente disponibile e può essere personalizzata per raggiungere obiettivi specifici.
Ad esempio, gli esperimenti del team di Chinthavali hanno dimostrato che l'hub dell'elettronica di potenza può dare la priorità alla fornitura dei maggiori risparmi sui costi ai sistemi di proprietà del cliente o alla fornitura costante di energia per i sistemi di pubblica utilità. I ricercatori dell'ORNL hanno dimostrato che questi obiettivi possono essere integrati direttamente nell'hardware e nel software e hanno anche sviluppato l'infrastruttura di comunicazione e controllo di supporto.
"Si inizia con sistemi di pretest e preautomazione che possono essere facilmente ampliati e implementati rapidamente", ha affermato Chinthavali, aggiungendo che il progetto ha portato a tre domande di brevetto. "Stiamo cercando di standardizzare i sistemi in modo che siano interoperabili". Andare oltre la modellazione per dimostrare la tecnologia nell'hardware cablato è stata una pietra miliare possibile solo grazie alle capacità di ORNL in GRID-C. "Questo è l'unico posto in cui potremmo sviluppare sia il software che l'hardware per prepararci completamente a implementare questa tecnologia nell'industria", ha affermato Chinthavali.
Diversi settori potrebbero vedere vantaggi significativi. La tecnologia potrebbe essere utilizzata da un costruttore o proprietario di un edificio per risparmiare denaro ed energia, oppure potrebbe essere installata da un'azienda di servizi per migliorare il controllo dell'alimentazione e l'affidabilità. Il team si sta muovendo alla fase successiva della ricerca:la sostituzione di convertitori commerciali di maggiore potenza garantiti direttamente dall'industria. Ciò dimostrerà che l'hub dell'elettronica di potenza è in grado di gestire i megawatt di potenza gestiti dalle utility elettriche utilizzando componenti di fornitori commerciali.
Il team ORNL che ha sviluppato l'hub di elettronica di potenza include Steven Campbell, architetto capo per l'integrazione dei sistemi; 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. + Esplora ulteriormente
