Maui no espera hasta 2045 para cumplir con los mandatos de energía limpia de Hawái: es probable que la isla se convierta en el primer sistema de transmisión eléctrica interconectada en cualquier lugar que opere con energía 100% eólica y solar fotovoltaica de forma instantánea.
Hasta 2024, está programado que Maui ponga en funcionamiento más de 175 MW de nuevas plantas de energía híbrida de almacenamiento solar. Esto, además de los casi 200 MW de energía eólica y solar que hay actualmente en la red, será suficiente energía renovable para abastecer a los aproximadamente 70.000 clientes de Maui sin utilizar generación convencional durante muchas horas al año. Pero administrar una proporción tan alta de recursos que son inherentemente inciertos es la primera vez para cualquier red del tamaño de Maui, por lo que el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) está desarrollando y validando herramientas de múltiples escalas de tiempo que acercarán a Maui y otros sistemas al 100%. Futuros energéticos limpios y estables.
MIDAS Touch para el funcionamiento de la red de Maui: gestión de la programación y la fiabilidad de las renovables
La energía eólica y solar añaden una gran parte de incertidumbre a la red. En niveles muy altos, incluso alteran la física y los controles dominantes detrás de la estabilidad de la red. Los operadores de redes se enfrentan a esta incertidumbre al programar la energía eólica y solar para proporcionar energía o servicios de estabilidad de la red. Debido a que las redes de dominancia renovable son tan recientes, existen pocos métodos sistemáticos para programar las energías renovables para la estabilidad de la red en múltiples escalas de tiempo. Como resultado, la mayoría de los operadores todavía tratan las energías renovables como no despachables e incontrolables al programarlas.
Una cosa es cierto, sin embargo: Las energías renovables por sí solas pueden proporcionar los servicios necesarios para mantener la red. Los operadores solo necesitan las herramientas para administrarlos adecuadamente.
“Técnicamente, los recursos basados en inversores, como el almacenamiento eólico, solar y de baterías, pueden proporcionar todo tipo de servicios auxiliares de la red mediante la programación de los controles”, explicó Jin Tan, investigador principal (PI) de varios proyectos de NREL destinados a habilitar una red 100% renovable. operaciones.
“El problema es que los operadores del sistema en gran medida no los utilizan. Los operadores del sistema deben incentivar las energías renovables para proporcionar servicios de red mediante el desarrollo de nuevas reglas de mercado. Necesitan herramientas modernas para validar el rendimiento de los sistemas renovables o para gestionar el riesgo (económico y operativo) asociado con la programación de recursos variables como la solar y la eólica ”, dijo Tan.
El mix de generación de energía de Maui, que pronto incorporará una mayor proporción de centrales eléctricas híbridas de almacenamiento solar. Imagen cortesía de Hawaiian Electric Company.
Tan ha liderado el desarrollo de MIDAS, el modelo dinámico y de programación integrado de múltiples escalas de tiempo, un software NREL que permite a los operadores de la red administrar sistemas de alta renovable, poniendo la inteligencia operativa y el análisis avanzado del sistema al alcance de la mano.
MIDAS, que está financiado por la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía (SETO), es una herramienta que podría enriquecer las herramientas operativas existentes para administrar los mercados de energía y realizar análisis de confiabilidad hasta la dinámica de escala de tiempo rápida. A diferencia de las herramientas actuales, MIDAS cierra las brechas entre el análisis económico y las evaluaciones de confiabilidad dinámica de la operación de la red, de modo que los operadores de la red puedan ver las compensaciones de enviar activos renovables (y no renovables) para una variedad de servicios de red.
Hasta ahora, MIDAS ha permitido a Maui planificar con anticipación más energías renovables al modelar sus operaciones en un futuro bajo. inercia de la rejilla. El modelo de Maui muestra problemas potenciales de confiabilidad, desde la adecuación de los recursos (años a días) y el balance de energía (días a minutos) hasta la dinámica de frecuencia (minutos a segundos) y escalas de tiempo electromagnéticas transitorias (sub-segundos), proporcionando una imagen única y completa del alto nivel de Maui. -sistema renovable. Para otros sistemas que alcanzan niveles altos de energía renovable y baja inercia, las herramientas de NREL para evaluar la confiabilidad y estabilidad de múltiples escalas de tiempo podrían ser críticas.
“En el pasado, todo en los sistemas de energía era exacto. Podríamos programar y despachar la generación con la certeza de saber que el sistema era estable ”, dijo Tan. “Ahora, con las energías renovables, debemos considerar nuevos factores como la capacidad de respuesta de frecuencia rápida de los recursos basados en inversores o las limitaciones de estabilidad de la red. De lo contrario, los modelos de programación actuales ya no pueden proporcionar resultados confiables para el funcionamiento diario “.
Instantáneas de la estabilidad: un modelo transitorio electromagnético completo de la isla de Maui
En la escala inferior a un segundo, los recursos basados en inversores (IBR), como el viento y la energía solar, están comenzando a generar olas en las redes de baja inercia. Si bien los sistemas de energía históricamente se han basado en generadores giratorios para suavizar las perturbaciones inferiores a un segundo, los IBR están desplazando a estos generadores, y Maui y los sistemas relacionados necesitan un nuevo suministro de estabilidad de la red. NREL, un laboratorio líder para sistemas de energía de baja inercia, tiene algunas capacidades e ideas sobre cómo ayudar.
“Nadie ha operado un sistema de energía del tamaño de Maui con 100% energía solar, eólica y baterías; Para operar con confianza cualquier red con 80-100% de recursos basados en inversores de manera instantánea, hay pasos importantes que podemos tomar en el laboratorio y en el campo para prepararnos ”, dijo Andy Hoke, ingeniero de investigación senior de NREL. Hoke lidera la investigación sobre análisis sub-segundo, o análisis electromagnético transitorio (EMT), de sistemas altamente renovables para validar su estabilidad.
Al estar a la vanguardia de las energías renovables, Maui merecía un análisis EMT especialmente minucioso en el que Hoke y el equipo de NREL modelaron el sistema de transmisión de toda la isla: cientos de líneas, autobuses y transformadores; y sistemas solares, de almacenamiento y eólicos y sus controles de inversor, a una escala inferior a un segundo. A continuación, el equipo de NREL simuló instantáneas del futuro sistema de Maui: lo que le gustaría con baja inercia, sin inercia y con métodos que restauran la inercia.
“Descubrimos que a medida que Maui se acerca a una operación 100% renovable, existen varias opciones para garantizar la estabilidad de la red”, dijo Hoke. “Utilizando condensadores síncronos para estabilizar, o incluso programando controles de formación de cuadrículas en un número relativamente pequeño de inversores, es posible estabilizar un sistema 100% renovable en Maui, al menos en simulación ”.
El equipo también descubrió que las herramientas de modelado convencionales pueden pasar por alto la dinámica de estabilidad clave en el caso de IBR extremadamente altos. Además, incluso los modelos de alta fidelidad pueden carecer de información esencial, como los controles patentados de un inversor comercial. Para estar 100% seguro de sistemas renovables 100% estables, NREL lleva la investigación un paso más cerca de la realidad con bancos de pruebas de hardware a escala.
Una prueba final antes del campo
El impulso final de Maui hacia la operación completamente renovable está respaldado en parte por SETO, que ha duplicado la estabilidad del sistema renovable mediante la adjudicación de un proyecto dirigido por NREL titulado “SAPPHIRE” para desarrollar controles híbridos de plantas de energía renovable. El nuevo proyecto de $ 3.6 millones une la investigación de Hoke y Tan al combinar controles de estabilización con el marco operativo MIDAS.
“Este es un esfuerzo para abordar las operaciones renovables desde la planificación a largo plazo hasta EMT, de modo que Maui y otros sistemas altamente renovables tengan lo que necesitan para administrar sistemas estables y económicos”, dijo Tan, quien es PI en el proyecto SAPPHIRE.
NREL utilizará primero el Plataforma de investigación avanzada en sistemas integrados de energía (ARIES) para desarrollar y eliminar el riesgo de los controles de la planta de energía híbrida a potencia real. ARIES proporciona un entorno de cuadrícula de réplica para que Maui valide su mezcla entrante de energías renovables y evalúe su inercia y estabilidad en tiempo real.
“Para eliminar completamente el riesgo de los sistemas 100% renovables, necesitamos ejecutar el hardware en condiciones de red reales”, dijo Hoke, quien es el co-PI y está desarrollando controles de estabilidad dinámica para el proyecto. “Con ARIES, podemos conectar dispositivos de red a energía real y replicar las condiciones que experimentarán en Maui. Esta es una forma segura de confirmar el rendimiento y la estabilidad antes de poner los controles en vivo “.
El proyecto concluirá con una demostración de 60 MW en el sistema de Maui y, aunque la demostración está a sólo 3 años, sigue siendo posible una prueba del 100% de energías renovables. Si es así, Maui marcaría un hito para la energía renovable y demostraría que las capacidades técnicas y las herramientas operativas de NREL pueden lograr lo mismo para los sistemas de energía limpia en cualquier lugar.
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