Seit mehr als einem Jahrzehnt arbeitet das National Renewable Energy Laboratory (NREL) mit dem US-Marineministerium zusammen, um saubere Energie und Widerstandsfähigkeit bei Anlagen auf der ganzen Welt zu unterstützen. Eines der jüngsten erfolgreichen und bahnbrechenden Projekte wurde in der Pacific Missile Range Facility (PMRF) der US Navy auf der Westseite der hawaiianischen Insel Kauai abgeschlossen.
Die gemeinsame Anstrengung brachte die US Navy zusammen; die Kauai Island Utility Cooperative (KIUC), der Stromversorger der Insel; AES, ein globales Energieunternehmen; und NREL, unter anderem.
Vor Jahren, ein NREL-Teammitglied im Einsatz mit der Marine in Pearl Harbor arbeitete mit Interessenvertretern zusammen, um das Projektkonzept im Rahmen der Initiative der Marine zur Bereitstellung von 1 Gigawatt (GW) dezentraler Energieressourcen zur Unterstützung der Energieresilienz zu katalysieren. Die Marine veröffentlichte eine Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen (RFP), die an KIUC vergeben wurde, und anschließend veröffentlichte KIUC eine RFP für die Projektentwicklung, die an AES vergeben wurde. Im Laufe des Engineering- und Bauprozesses versuchte AES, die einzigartigen Microgrid-Validierungseinrichtungen bei NRELs Flatirons Campus in Colorado, um die Microgrid-Betriebsfähigkeiten vor der Implementierung bei PMRF zu konfigurieren, zu integrieren, abzustimmen und zu validieren, was Zeit spart und Risiken reduziert.
Neben vielen Vorteilen verbessert dieses Projekt die Fähigkeit von PMRF, im Falle eines Ausfalls der Übertragungseinspeisung aus dem öffentlichen Stromnetz autark für seinen gesamten Strombedarf zu werden. PMRF kann jetzt eine 14-Megawatt-(MW-)Solaranlage in Verbindung mit einem 70-Megawattstunden-(MWh-)Batterie-Energiespeichersystem auf der Basis nutzen.
Der Flatirons Campus von NREL in der Nähe von Boulder, Colorado, umfasst einzigartige Mikronetz-Validierungseinrichtungen. Foto von Joshua Bauer, NREL
Hightech-Simulation und -Validierung spart Zeit und Kosten
Große, saubere Energie-Mikronetze zur Unterstützung der Energieresilienz nehmen an Zahl und technologischen Innovationen zu. Eine von mehreren Innovationen in diesem Fall war die Entwicklung einer neuen Microgrid-Steuerungsstrategie von AES mit automatischer schneller Frequenz- und Spannungsreaktion, die durch eine fortschrittliche DC-gekoppelte Architektur und eine fortschrittliche Leistungselektroniksteuerung ermöglicht wird. Die Evaluierungs- und Validierungskapazitäten auf dem Flatirons Campus von NREL ermöglichten es dem Team, eine Vielzahl von simulierten Ereignissen und Bedingungen bei PMRF an der Spitze der Entwicklung erneuerbarer Energietechnologien kostengünstig und sicher zu bewerten.
„Auf dem Flatirons Campus verfügen wir über viele Hardwarekomponenten, um die Technologievalidierung zu ermöglichen“, sagte Przemyslaw Koralewicz, der NREL-Netzintegrationsingenieur, der die Technologievalidierung und -bewertung leitete. Die steuerbare Netzschnittstelle von NREL ermöglicht die Bewertung elektrischer Komponenten und Systeme unter unterschiedlichen Bedingungen und ermöglicht es öffentlichen und privaten Partnern, neue innovative Technologien schnell und kostengünstig als System zu validieren. In diesem Fall fügte Koralewicz hinzu: „Power Hardware in the Loop ist eine großartige Möglichkeit, mit der wir zeigen, wie das System, das wir auf dem Flatirons Campus installiert haben, in das elektrische System auf der Insel Kauai integriert wird.“
Die PMRF der Marine verwaltet den weltweit größten instrumentierten Trainings- und Testbereich, der mehr als 1.100 Quadratmeilen instrumentierter Unterwasserreichweite und über 42.000 Quadratmeilen kontrollierten Luftraums abdeckt, mit einem vorübergehenden Betriebsbereich von 2,1 Millionen Quadratmeilen, wenn er für Raketentests benötigt wird. Das erste Microgrid seiner Art, das AES entwickelt und auf Kauai installiert hat, dient der Stromversorgung der Basis. Dadurch stellt das System sicher, dass die Anlage bei einem Ausfall der Übertragungseinspeisung aus dem öffentlichen Stromnetz, wie es beispielsweise bei einem Unwetter passieren kann, mit Strom versorgt wird.
„Diese Partnerschaft ermöglicht PMRF einen direkten Zugang zur Stromquelle, was zu einem zuverlässigen und sauberen Stromnetz führt und gleichzeitig die Abhängigkeit von Dieselgeneratoren verringert“, sagte Lt. Commander Terence White, PMRF Public Works Officer. „Dieser erweiterte Nutzungsvertrag [EUL] Das Projekt unterstützt die DOD-Test- und Evaluierungsziele besser, indem es die neue Infrastruktur zur Netzkonsolidierung von PMRF nutzt, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen – sowohl bei geplanten als auch bei ungeplanten Ereignissen. Insgesamt ist dieses EUL-Projekt in der Lage, die robusten elektrischen Anforderungen zu erfüllen, die zur Unterstützung der kritischen Test- und Trainingsmission hier bei PMRF erforderlich sind.“
Als zusätzliches Feature sind das Solar-Plus-Energie-Speichersystem und das Umspannwerk auf „Schwarzstart“-Fähigkeit ausgelegt. Wenn die Übertragungseinspeisung aus dem öffentlichen Stromnetz ausfällt, kann dieses belastbare Energiesystem die Basis weiterhin mit Strom versorgen und sich selbst starten, ohne dass ein Notdieselgenerator benötigt wird; es kann starten, indem es nur den Strom aus seiner eigenen Solaranlage und Batterien nutzt.
„AES hat mit der DC-gekoppelten Solar-plus-Speicher-Architektur erhebliche kosteneffiziente Fortschritte bei der Mikronetzsteuerung gemacht, um den Übergang zum und vom elektrisch isolierten Betrieb zu bewältigen“, sagte Chris Boyer, AES Director of Product Solutions. „Wir können diese Innovation nun auch in anderen Projekten auf der ganzen Welt einsetzen.“
Dieses Partnerschaftsprojekt steht auch im Einklang mit dem Fortgeschrittene Forschung zu integrierten Energiesystemen (ARIES), eine Forschungsplattform, die der Komplexität des modernen Energiesystems gerecht wird und integrierte Forschung betreibt, um die Entwicklung bahnbrechender neuer Energietechnologien zu unterstützen.
Neben mehreren technologischen Neuerungen verbesserte das Projektteam den Bauzeitplan.
„Bei anderen Microgrid-Projekten passiert normalerweise eine lange Inbetriebnahmephase, während die Kontrollen ausgebügelt werden“, sagte Boyer. „Das wäre auf Kauai sehr teuer, und es hätte Monate dauern können, bis alle Steuerungen abgestimmt waren und bei jedem erdenklichen Ereignis das tun, was sie tun sollen. Wir haben uns all die Monate Zeit genommen, um die Steuerung einzustellen und parallelisiert sie mit unserer Bauzeit, so dass wir während der Bauarbeiten an der Basis die Kontrollen und Ereignisreaktionen auf dem Flatirons Campus von NREL evaluierten. Als es an der Zeit war, diese Kontrollen vor Ort zu validieren, brauchten wir nur etwa einen Monat, um die endgültigen Konfigurationen und Abstimmungen abzuschließen. Alle Methoden für die Vor-Ort-Abstimmung und -Validierung wurden zuerst bei NREL erarbeitet.“
Das Microgrid-Projekt PMRF ist ein Paradebeispiel dafür, wie alle Beteiligten durch die Zusammenarbeit mit fokussierten, engagierten Teams innovative Lösungen vorantreiben konnten. Der für dieses Projekt verwendete kreative Vertragsmechanismus, ein erweiterter Nutzungsvertrag, ermöglichte es dem Marineministerium, KIUC, AES, NREL und anderen, Partnerschaften aufzubauen, die die Mission und Ziele vieler Interessengruppen unterstützten. KIUC erhielt die erste leistungsorientierte Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen mit dem Angebot, der Marine im Notfall Strom zu liefern und eine neue Umspannstation auf der Basis zu errichten. Im Gegenzug konnte KIUC einen sicheren Standort mieten, um eine neue Solaranlage und ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) zu platzieren, von dem die Interessengruppen der Insel profitieren könnten. KIUC hat eine Ausschreibung für die Projektentwicklung herausgegeben, die AES gewonnen hat. Unter normalen Bedingungen verwendet KIUC das System, um neben der Basis auch die Inselgemeinde mit kostengünstiger, sauberer Energie zu versorgen.
Ein von AES entwickeltes und installiertes Energiespeichersystem stellt die Stromversorgung der Anlage bei Ausfall der Übertragungseinspeisung aus dem öffentlichen Stromnetz sicher. Fotos mit freundlicher Genehmigung von US Navy und AES
„Dies ist ein großartiges Beispiel für die Kraft starker Partnerschaften, die Innovationen und den Einsatz sauberer Energiesysteme unterstützen“, sagte Mike Callahan, NREL Applied Engineering Group Manager, der dieses und andere Projekte des Department of the Navy für widerstandsfähige Energie seit mehr als einem Jahrzehnt unterstützte. „Mit diesem und anderen Projekten demonstrieren das Marineministerium, KIUC, AES und die Insel Kauai und NREL gemeinsam ihre Führungsrolle, um die Integration und Widerstandsfähigkeit sauberer Energiesysteme voranzutreiben. Heute wird die gesamte Insel Kauai routinemäßig mit 100% erneuerbarer Energie, hauptsächlich Solarenergie, betrieben, und die Basis verfügt jetzt über eine Stromquelle vor Ort, die nicht von Treibstofflieferungen abhängig ist.“
Auf dem Weg zu erneuerbaren Energiezielen und Investitionen in die Gemeinschaft
„Unsere Mission ist es, das Leben zu verbessern und eine 100% kohlenstofffreie Zukunft zu schaffen, daher sind wir wirklich stolz auf unseren ganzheitlichen Fokus auf Nachhaltigkeit, Gemeinschaften und Innovation“, sagte Leo Moreno, Präsident von AES Clean Energy, während einer virtuellen Tour des Projekts, das Mitte Mai von der Marine veranstaltet wurde. „Dies ist ein ausgezeichnetes Projekt, um diese drei Ziele zu demonstrieren.“
Moreno betonte auch, dass dies eine Win-Win-Situation für das Versorgungsunternehmen und seine Kunden ist. Wenn die Basis das Microgrid nicht benötigt, verwendet KIUC es, um die Inselgemeinde mit Strom zu versorgen.
Integrierte Energiepfade modernisieren unser Netz, um ein hohes Maß an erneuerbaren Energien zu unterstützen, integrieren Speicher und fortschrittliche Kontrollen und erweitern die Elektrifizierung des Verkehrs, während die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Netzes erhalten bleiben.
KIUC hat Hawaiis Ziele für erneuerbare Energien aufgegriffen und beschleunigt, um die Bedeutung des PMRF-Projekts zu stärken. „Unser Vorstand hat 70 % erneuerbare Energien bis 2030 festgelegt, und wir sind auf dem besten Weg, dieses Ziel frühzeitig zu erreichen“, sagte Brad Rockwell, KIUC-Geschäftsführer, der dieses PMRF-Projekt für KIUC leitete und andere innovative Projekte für saubere Energie geleitet hat. auf Kauai von Anfang bis Ende. „Das nächste Staatsmandat beträgt 40 % bis 2030, 70 % bis 2040 und 2045 sind es 100 %.“ KIUC ist auf dem besten Weg, das staatliche Ziel von 70 % ein Jahrzehnt früher zu erreichen.
Ein vielversprechender Ausblick für Partnerschaften und erneuerbare Energien
„Das Stromsystem läuft mit den Batterien und das Solarsystem wird täglich von KIUC genutzt“, sagte Koralewicz. „Sie haben bereits die fortschrittlichen Microgrid-Fähigkeiten demonstriert.“
Koralewicz fügte hinzu, dass das PMRF-Projekt eines von mehreren Projekten ist, bei denen NREL AES unterstützt. „Wir werden weiterhin mit AES und anderen zusammenarbeiten, um technologische Innovationen zu entwickeln. Es ist großartig, die Bemühungen eines Industriepartners zu unterstützen, eine Technologie zu entwickeln, zu validieren und dann zu beobachten, wie sie sie auf viele weitere Projekte auf der ganzen Welt skalieren.“
AES war damit beschäftigt, innovative erneuerbare Energie in Hawaii über das PMRF-Mikronetz hinaus einzusetzen, um die Ziele des Staates für zuverlässige, saubere Energie zu erreichen. Ende 2018 installierte AES die 28-MW-PV und 100-MWh BESS Lāwai Solar- und Energiespeicherprojekt auf Kauai. Im Januar 2021 haben sich AES und KIUC nach einem kompetitiven Bewerbungsverfahren erneut zusammengeschlossen, diesmal am Kauais erstes Solar- und Pumpspeicherkraftwerk, bekannt als das West Kauai Energieprojekt.
2018 installierte AES am südlichen Ende der hawaiianischen Insel Kauai das weltweit größte Solar-plus-Speicher-System. Eine verkleinerte Version wurde zuerst am NREL getestet. Foto von Dennis Schroeder, NREL
AES, KIUC und die Navy sind nur drei von etwa 250 einzigartigen NREL-Partnern, von denen mehr als 900 aktive Vereinbarungen mit einem jährlichen Vertragswert von über 100 Millionen US-Dollar erzielt wurden. Mit AES hat NREL bereits erfolgreich bei einigen Vorschlägen des US-Energieministeriums (DOE) zusammengearbeitet, bei denen sie sich gemeinsam auf die Grundlagenforschung konzentrieren werden.
Für das Verteidigungsministerium gab Richard Kidd, stellvertretender stellvertretender Verteidigungsminister für Umwelt und Energieresilienz, den Teilnehmern des virtuellen Open House der Marine Mitte Mai einen Blick in eine sehr glänzende Zukunft mit großem Potenzial.
„Die Abteilung hat eine langjährige Zusammenarbeit mit DOE“, sagte Kidd. „Wir haben NREL-Mitarbeiter, die für jeden Dienst arbeiten. Wir nutzen die Assets der Inter-Agency, insbesondere aber des DOE. Im Moment haben wir in der gesamten Abteilung fantastische Projekte wie dieses, von denen es Dutzende gibt, aber wir haben Möglichkeiten zu Hunderten, wenn nicht Tausenden.“
Autarke, sichere, fortschrittliche Microgrids wie dieses bei PMRF haben das Potenzial, Energieresilienz zu bieten und sind für verschiedene Anwendungen skalierbar. Bewährte und wirkungsvolle Partnerschaften wie diese zwischen der Marine, KIUC, AES und NREL schaffen die Voraussetzungen für die Beschleunigung der Zukunft der Energieeffizienz und sauberen Energie.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien.
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