El ‘SuperLab’ combinado demuestra una planta de energía híbrida única

Fuente: https://www.nrel.gov

Dos laboratorios nacionales conectados por una red de alta velocidad unen las energías renovables y la energía nuclear

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Durante un período de 60 minutos en enero de 2023, existió una planta de energía como ninguna otra en el oeste montañoso de EE. UU. Contenía una matriz solar, una batería de iones de litio, electrolizadores de hidrógeno y un reactor nuclear, todos coordinados entre sí para proporcionar energía confiable. Aún más inusual, la planta combinó tecnologías reales y simuladas a cientos de millas de distancia.

Esta planta de energía única fue parte de un proyecto nacional de investigación y desarrollo para conectar activos de energía de forma remota en tiempo real utilizando la Red de Ciencias Energéticas (ESnet) del Departamento de Energía (DOE). Al vincular las capacidades del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y el Laboratorio Nacional de Idaho (INL), los investigadores crearon un «SuperLab» colaborativo que les permitió estudiar sistemas de energía que actualmente no existen. En este caso, demostraron que las energías renovable y nuclear, combinadas dentro de un sistema híbrido, pueden complementarse bien para respaldar la red.

«Integrating nuclear assets deployed at INL and connecting them with renewable energy assets at NREL showcases the power of energy hybridization technology and underscores the importance of connectivity in achieving sustainable energy solutions,» said Rob Hovsapian, ARIES research lead in hybrid energy systems at NREL. «Innovation without implementation is merely an idea, but at-scale validation is the bridge that makes ideas a reality. The Advanced Research on Integrated Energy Systems (ARIES) platform at NREL is the engine that powers this evolution, connecting multiple assets and de-risking complex energy systems for faster adoption of novel clean energy technologies.»

Una planta híbrida virtual

La demostración de SuperLab vinculó con éxito las simulaciones de producción de energía y red de energía de dos laboratorios:

• En NREL (Golden, Colorado), la plataforma ARIES proporcionó un panel solar, un sistema de almacenamiento de baterías, un electrolizador de combustible de hidrógeno y una interfaz de red controlable. Los simuladores digitales en tiempo real permitieron a los investigadores conectar los modelos y las respuestas en ambos lados, NREL e INL.
• En INL (Idaho Falls, Idaho), los investigadores prepararon simulaciones de un pequeño reactor nuclear modular y electrólisis de alta temperatura en el Laboratorio de simulación de sistemas humanos (HSSL).

Izquierda: Laboratorio de Simulación de Sistemas Humanos del INL. Foto de INL . Derecha: plataforma ARIES de NREL. Foto de NREL . Estas dos capacidades se conectaron a través de circuitos ESnet6 OSCARS creando una planta nuclear renovable híbrida virtual.

El cableado de fibra óptica operado por ESnet proporcionó conexiones de datos de alta velocidad, baja latencia y bajo jitter entre los dos laboratorios. Esta conexión sincronizó simulaciones y señales de control, proporcionando «proximidad virtual» de los activos.

Esta demostración de SuperLab siguió meses de preparación por varias docenas de investigadores en INL, NREL y ESnet. A la demostración asistieron más de 60 expertos en energía, incluidos representantes de otros laboratorios nacionales y representantes del DOE de la Oficina de Ciencias, la Oficina de Energía Nuclear, la Oficina de Electricidad y la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable.

Híbrido renovable-nuclear: un binomio complementario

La demostración de SuperLab mostró que la energía nuclear y las energías renovables podrían usarse en combinación para la red eléctrica. Los reactores nucleares funcionan mejor en estado estable como fuente de energía de carga base, pero no pueden responder rápidamente a los cambios en la demanda. La energía eólica y solar pueden proporcionar energía intermitente, pero no siempre son despachables. Juntos, brindan energía estable durante cambios abruptos en la demanda o las condiciones climáticas. Y para un diseño extra funcional, los investigadores agregaron electrolizadores de hidrógeno y baterías térmicas para almacenar el exceso de energía.

«Una planta híbrida que incorpora activos nucleares y renovables nos permite aprovechar los beneficios únicos que ofrece cada una de estas tecnologías de energía limpia», dijo Shannon Bragg-Sitton, directora de la División de Sistemas Integrados de Energía y Almacenamiento de INL. «Garantiza que las demandas de la red se satisfagan de manera confiable y asequible en todo momento mientras se aprovecha el calor proporcionado por un generador térmico nuclear para producir hidrógeno limpio y apoyar la descarbonización de la industria».

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Durante la demostración, los investigadores encontraron que su planta híbrida se desempeñó como se deseaba. Primero, simularon una pérdida repentina de energía solar debido a una nube pasajera, y el reactor nuclear intervino para respaldar la demanda de la red. Luego, cuando simularon una tormenta que derribó las líneas eléctricas del vecindario, el reactor nuclear redujo su energía a la red y la redirigió para aumentar la producción y el almacenamiento de hidrógeno. Estos escenarios brindan a los desarrolladores una línea de base y datos operativos de alta calidad sobre cómo los diseños híbridos de energías renovables y nucleares podrían operar juntos para una red eléctrica confiable.

«Demostrar el uso integrado de diversos activos de generación en una instalación experimental controlada nos permite comprender mejor cómo estos sistemas pueden respaldar mutuamente una demanda de energía variable antes de que se decidan inversiones importantes», dijo Bragg-Sitton. «Estas demostraciones pueden emular el rendimiento en condiciones tanto esperadas como no nominales para ganar confianza en sus operaciones. A través de este SuperLab, cada laboratorio en el complejo del DOE aporta una experiencia única al desafío de los sistemas de energía limpia del futuro».

No es el primer SuperLab

La demostración de enero no fue solo un logro para las plantas de energía híbrida, sino que también hizo grandes avances para la red troncal que respalda a SuperLab: ESnet. Esta demostración fue una de varias, con más por delante, para conectar megavatios de hardware de energía usando ESnet. En 2017, ocho laboratorios se conectaron para la primera demostración utilizando conexiones de red privada virtual, que se muestran en el video a continuación. Fue una prueba de concepto exitosa, pero la latencia variable dificultó la cosimulación de señales de potencia que requerían una sensibilidad de milisegundos.

El equipo de ESnet redujo la variación de la latencia, reduciéndola de 11,5 milisegundos a 0,02 milisegundos, lo que fue útil en 2021 cuando se ensambló otro SuperLab para respaldar una ciudad remota de Alaska con sus controles de microrred, que se muestra en el video a continuación.

Durante la demostración de enero, los investigadores disfrutaron de otra mejora cuando se presentó ESnet6, que presenta una mayor capacidad de datos, visualización de datos en tiempo real y nuevas herramientas de automatización y ciberseguridad. Es la última mejora de una extraordinaria plataforma científica que ha crecido constantemente desde 1986.

«ESnet se enorgullece de apoyar el proyecto ARIES», dijo Eli Dart, líder del Grupo de participación científica en ESnet. «Estas demostraciones utilizan de manera efectiva las capacidades de circuito virtual de OSCARS de ESnet6. ARIES requiere un comportamiento determinista y de fluctuación baja, que OSCARS puede proporcionar a través de conexiones punto a punto dedicadas. Juntos, ESnet y el equipo de ARIES trabajaron en ambas demostraciones, y esperamos con ansias continuar esta colaboración en el futuro».

Un mapa de las conexiones de red de ESnet6 en EE. UU. y Europa. Imagen de ESnet

Desde su sede en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ESnet se ramifica y converge en laboratorios de todo el país, llegando a muchos nodos de investigación poderosos que incluyen varios en Europa. Es realmente un laboratorio continental, con el experimento de NREL e INL como un pequeño (pero no menos excelente) eslabón; mientras tanto, otros investigadores que utilizan ESnet están sincronizando datos genéticos y simulando materiales cuánticos. ESnet acerca sus capacidades físicas para que los laboratorios puedan compartir sus supercomputadoras, reactores de partículas y turbinas eólicas, independientemente de su ubicación geográfica.

«A medida que ARIES se amplía a miles de dispositivos y muchos más laboratorios, estamos emocionados de ser parte de este equipo», dijo Dart. «El objetivo es garantizar que EE. UU. tenga una red eléctrica capaz de integrar de manera confiable las tecnologías de energía modernas que necesitamos para el siglo XXI. El diseño conjunto con el programa SuperLab permite a ESnet garantizar que nuestra red avanzada respalde el éxito de la investigación de redes eléctricas. la experiencia complementaria de los laboratorios nacionales es lo que mejor hacemos: todos aportan su mejor juego y todos trabajamos juntos».

La demostración híbrida renovable-nuclear también proporcionó algo a cambio de ESnet: un modelo sobre cómo construir experimentos similares. El próximo experimento ya está en proceso ya que NREL, INL y otros laboratorios ya han validado y establecido sus conexiones SuperLab.

Más energía, más dispositivos y un gran apagón

Con el espíritu de resiliencia y con interés en superar los límites, la próxima demostración de SuperLab simulará un desastre a escala nacional en ocho laboratorios nacionales. Los investigadores planean estudiar cómo se desarrollaría una gran interrupción de un huracán o un ataque cibernético en un sistema de energía distribuida. La escala de este experimento será mucho mayor que cualquier otra anterior; mientras que la demostración de 2017 ejecutó 80 dispositivos, la próxima demostración, programada para fines de 2023, tendrá como objetivo 10,000 dispositivos.

Una vez que se complete la demostración, será un hito para el concepto SuperLab: la comunidad de investigación tendrá la capacidad de emular escenarios a escala nacional en hardware de energía real, lo que ayudará a reducir el riesgo para futuras estrategias de transición energética. Y eso es solo el comienzo de lo que se puede lograr cuando se combinan todas las capacidades de investigación de los Estados Unidos.

«Al conectar múltiples laboratorios a través de ESnet para 2024, desbloquearemos todo el potencial de nuestros laboratorios nacionales, sus activos de investigación, tecnologías de vanguardia y científicos talentosos», dijo Hovsapian. «Esta infraestructura SuperLab 2.0 nos preparará para enfrentar desafíos emergentes a gran escala para cumplir con los objetivos de energía limpia de la nación y reforzar las necesidades de seguridad energética de cada comunidad».

Obtenga más información sobre la plataforma ARIESde NREL para la emulación de sistemas de energía o comuníquese con Rob Hovsapian o Steve Hammond .