Vor nicht allzu langer Zeit war 100 % erneuerbare Energie eine Auszeichnung, die abgelegenen Gemeinden vorbehalten war, um kostspielige Energieimporte zu vermeiden. Aber jetzt sind einige US-Bundesstaaten Erreichen eines sehr hohen Anteils an erneuerbarer Energie, und die größten städtischen Gebiete der Welt sind auf 100 % erneuerbaren Betrieb abzielen, die ihre Zukunft auf variabler Energie aus Wind und Sonne gründen, die an Energiespeicherung gebunden ist.
Auf dem eigenen Campus ist auch das National Renewable Energy Laboratory (NREL) demonstriert 100 % erneuerbaren Betrieb, wenn auch unfreiwillig, und die Erfahrungsaussage lautet, dass der Übergang zu erneuerbaren Energien machbar ist. Tatsächlich hat NREL gezeigt, dass Stromnetze mit relativ einfachen Steuerungen zu 100 % mit Wind, Sonne und Speicher betrieben werden können, ohne dass eine dedizierte Kommunikation von Gerät zu Gerät erforderlich ist.
„Als der Flatirons Campus den Strom verlor, hatten wir keinen Microgrid-Controller, der in der Lage war, alle Microgrid-Assets schwarz zu starten und zu verwalten den Campus während eines Ausfalls im Jahr 2020 repowern. „Stattdessen haben wir ein kommunikationsloses Schema entwickelt, das die Standardfrequenzsteuerungen der erneuerbaren Anlagen nutzt und das ohne größere Aufsicht oder Anpassung zweckmäßig programmiert werden kann.“
Koralewicz und einige andere Forscher des Flatirons Campus Black starteten den Standort zunächst mit einer Batterie und einer Solaranlage und bald darauf mit angeschlossenem Wind für eine Gesamterzeugungskapazität von rund 2 MW. Ihr Steuerungsansatz war aufgrund seiner Einfachheit und Skalierbarkeit einzigartig: Anstatt einen zentralen Controller zu haben, der Befehle an die Solar- und Windanlagen ausgibt, wurde jedes Gerät unabhängig programmiert, um eine Art selbstorganisierende Stabilität zu erzeugen. Die tatsächlichen Ergebnisse sind in der folgenden Grafik dargestellt.
Indem die Frequenz zwischen 59,5 und 60,5 Hz driften kann, anstatt wie in typischen Netzen zu versuchen, feste 60 Hz zu erreichen, und indem die generischen Steuerungen der Geräte angepasst werden, um Änderungen der Wirkleistung basierend auf der Netzfrequenz zu ermöglichen (bekannt als Droop-Steuerung), Das NREL-Team hat das Microgrid so konfiguriert, dass es autonom auf alle Änderungen reagiert, wie beispielsweise große Schwankungen der Wind- oder Solarproduktion bei turbulenten Wetterbedingungen oder ein neues Asset wie ein zum System hinzugefügter Dieselgenerator.
„Der Betrieb eines solchen kommunikationslosen Systems hat viele Vorteile“, erklärt Koralewicz. „Zum einen werden die Cybersicherheitsbedrohungen gegen verteilte Ressourcen effektiv null, da kein Datenaustausch zwischen Geräten erforderlich ist. Darüber hinaus ist der Ansatz Plug-and-Play für Geräte, sodass erneuerbare Ressourcen mehr oder weniger nahtlos hinzugefügt oder entfernt werden können.“
Nachdem der Spaß vorbei war und das Stromsystem des Flatirons Campus repariert war, trieb dasselbe NREL-Team seine neu gefundene Lösung voran. Sie fragten, ob die Methode wirklich bei einem größeren Energiesystem mit mehreren Batteriespeichersystemen und Erzeugungsressourcen bei oder nahe 100 % erneuerbarem Betrieb funktionieren könnte. Das Team demonstrierte an einem simulierten System, dass ihr Ansatz in einer Vielzahl von Betriebsszenarien mit einem erneuerbaren Anteil von 20 % bis 300 % und mit unterschiedlichen Batteriekapazitäten und -größen funktionsfähig bleibt und die Stabilität aufrechterhält.
Oben: Ein zentral gesteuertes Stromsystem mit fester Frequenz. Unten: Ein dezentrales kommunikationsloses Stromversorgungssystem, wie es von den NREL-Forschern demonstriert wurde. Für das Management eines erneuerbaren Microgrids auf dem Flatirons Campus wurde eine Floating-Frequenz verwendet, die weniger starr an 60 Hz gebunden ist. Illustration von Anthony Castellano, NREL
In gewisser Weise entfesselt diese Methode die Flexibilität der Frequenz in elektrischen Systemen. Obwohl die konventionelle Generation die Frequenz auf ein sehr enges Fenster um 60 Hz begrenzt, schlagen die kommenden Vorschläge für das Stromnetz vor, einen etwas breiteren Frequenzbereich zu verwenden, der durch die Fähigkeiten moderner wechselrichterbasierter Ressourcen ermöglicht wird. Das DOE hat ein Konsortium namens . ins Leben gerufen Universelle Interoperabilität für netzbildende Wechselrichter (UNIFI) um solche Strategien voranzutreiben und Daten und Standards zu entwickeln, um stark erneuerbare Systeme zu unterstützen.
Abgesehen vom Erfolg des Regelungsansatzes hat NREL gezeigt, dass selbst eine einfache improvisierte Methode während eines Resilienzereignisses zuverlässigen, erneuerbaren Strom liefern kann. Dies ist ein guter Hinweis für Gemeinden, die auf Rekordwerte bei erneuerbaren Energien hinarbeiten, was darauf hindeutet, dass einige Aspekte des Übergangs nicht allzu kompliziert sein müssen. NREL verfügt über die Fähigkeiten, Partner bei der Erprobung von Lösungen für die Energiesysteme von morgen zu unterstützen.
Erfahren Sie mehr über NRELs Energiesystemforschung im großen Maßstab.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL).
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