Vientos fuertes, un sol radiante, un paisaje remoto: el Campus Flatirons del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) podría ser un entorno familiar para los miembros del servicio militar. Aquí, en “Fort Renewable”, en un camino de tierra desde el campus principal de investigación, las cabañas militares de Quonset se encuentran dispersas entre activos energéticos como energía solar fotovoltaica y almacenamiento de baterías.
En comparación con una base militar real, la configuración de Fort Renewable no es tanto operativa como progresista, con su propia misión crítica: para diseñar sistemas altamente renovables para aplicaciones seguras. Con capacidades cibernéticas y físicas únicas, la plataforma de investigación de microrredes de NREL es el escenario de demostraciones de redes a gran escala que están ayudando a las industrias militar, de microrredes y de almacenamiento de energía a superar las barreras técnicas hacia una integración renovable extrema.
Las cabañas de Quonset en NREL replican entornos de microrredes militares para que el DOD y sus socios puedan evaluar de manera confiable la seguridad energética con energías renovables y almacenamiento de baterías.
Las cabañas de Quonset en NREL replican entornos de microrredes militares para que el DOD y sus socios puedan evaluar de manera confiable la seguridad energética con energías renovables y almacenamiento de baterías.
Las cabañas de Quonset en NREL replican entornos de microrredes militares para que el DOD y sus socios puedan evaluar de manera confiable la seguridad energética con energías renovables y almacenamiento de baterías.
Un concurso para crear microrredes de calidad
Las microrredes no son nada nuevo para el ejército, y especialmente nada nuevo para las colaboraciones entre NREL y el Departamento de Defensa (DOD). Pero a medida que surgen nuevas amenazas en los sistemas de energía, generalmente cibernéticos y ambientales, el DOD ahora busca reforzar su energía de respaldo con almacenamiento de batería, en lugar de una preferencia actual por los generadores diésel.
“Hemos tenido microrredes militares durante 20 años”, dijo Brian Miller, investigador senior de NREL y líder de investigación de microrredes. “Pero en ese entonces no teníamos baterías y muy poca energía solar”.
Depender únicamente de los generadores diésel podría poner en riesgo las microrredes. Si un verdadero escenario de desastre deja fuera de servicio la red durante un período prolongado, los viejos generadores diésel de los militares no sobrevivirían a cortes de varias semanas.
“Las energías renovables y el almacenamiento de baterías tienen el potencial de durar más con el suministro de combustible y proporcionan una importante diversidad energética”, dijo Miller.
Para descubrir las mejores implementaciones de almacenamiento de microrredes en sus diversos sitios, el DOD organizó un programa único que es mitad competencia, mitad acelerador de tecnología. En el marco del programa, se ha invitado a las empresas en fase inicial a validar sus soluciones de microrredes en sistemas de red cada vez más realistas y plataformas cada vez más desafiantes. De esta manera, las empresas pueden adquirir experiencia de campo rápidamente, el DOD puede invertir con confianza en sus propias mejoras de microrredes y los resultados experimentales estarán ampliamente disponibles como recursos para las partes interesadas.
El proyecto se facilita a través del Programa de Certificación de Tecnología de Seguridad Ambiental (ESTCP) del DOD y, por lo tanto, hereda el objetivo del programa de ayudar a los productos comerciales en etapa inicial a superar las dificultades de ingresar al mercado. Cada empresa participante se empareja con un investigador principal de la industria, formando equipos de dos que aplican los conceptos comerciales a las operaciones de microrredes reales.
Las validaciones comenzaron en 2020. Si bien cada uno de los equipos participantes se esfuerza en última instancia por probar sus tecnologías en una base real del DOD, primero deben avanzar a través de dos pruebas de menor fidelidad. Estas validaciones iniciales se están llevando a cabo en NREL, donde los sistemas de energía se pueden emular con una similitud exacta en casi cualquier escenario.
Construcción de microrredes militares en una base réplica
En preparación para el programa, NREL reformuló su plataforma de investigación de sistemas eléctricos de clase mundial ARIES en una microrred militar distribuida, fuera de la red como podría ser una base del DOD, pero con activos experimentales de alto rendimiento como estaciones meteorológicas y enlaces de comunicación de fibra óptica de seis hilos. En Fort Renewable de NREL, el DOD y las empresas participantes ahora han podido realmente validar y burlarse sistemas comerciales de microrredes.
La solución de almacenamiento de batería de microrred de cada equipo se prueba contra cortes de energía emulados, que los controles de microrred deben ser capaces de manejar.
La solución de almacenamiento de batería de microrred de cada equipo se prueba contra cortes de energía emulados, que los controles de microrred deben ser capaces de manejar.
La fase 1 del programa trajo siete equipos a NREL, donde sus conceptos de almacenamiento de microrredes se conectaron a sistemas virtuales y se analizaron con operaciones simuladas. Esta primera fase validó las tecnologías de los equipos en una base militar modelo, probando si los dispositivos podían responder con un nivel de referencia de rendimiento y filtró el número de equipos participantes a cuatro. Los resultados de la fase 1 están disponibles en el sitio web de ESTCP.
La fase 2 del proyecto elevó el listón más alto: los equipos han sometido sus tecnologías a validaciones más rigurosas en una aproximación casi exacta de la Estación Aérea Naval del DOD Patuxent River (NAS Patuxent River), una base de la Fuerza Aérea de 34 MW en Maryland, replicada a la derecha dentro de NREL.
“Nuestra plataforma está construida de tal manera que los usuarios pueden probar sus diseños para microrredes isleñables que pueden proporcionar energía en una emergencia de larga duración a un costo razonable”, dijo Miller, quien dirigió el desarrollo de la plataforma de investigación de microrredes militares. “Hacer un estudio es una cosa, pero no se puede determinar si un hardware de potencia tiene éxito. Es por eso que estas empresas vienen a NREL. Si pueden aprovechar nuestras capacidades, es enorme “.
Miller, que alguna vez fue un importante en la Fuerza Aérea de EE. UU., Tiene una carrera de experiencia en resiliencia energética extraída del servicio en el extranjero y en todo Estados Unidos, y utilizó su experiencia para construir el entorno de investigación de réplicas.
La plataforma de investigación involucra aproximadamente 250 kW de hardware, que se intercambia de diversas maneras con las tecnologías de los equipos, desde interruptores y controladores de microrred hasta baterías. Los equipos confían en NREL para el resto del entorno de la microrred: emuladores de energía y de red, redes SCADA, equipos de conmutación, bancos de carga, recursos renovables y una réplica de la red NAS Patuxent River.
Y eso cubre solo el hardware. La plataforma completa cruza casi todos los espacios de laboratorio en la Instalación de Integración de Sistemas de Energía de NREL y se conecta a los activos de Flatirons a millas de distancia. Un integrado Plataforma de emulación de ciber-energía (CEEP) emula digitalmente las comunicaciones y los controles de las microrredes, mientras que una vasta red de sensores recopila simultáneamente datos de energía en todos los puntos de la microrred y visualiza métricas interactivas en tiempo real. En total, la plataforma de investigación de microrredes militares es lo más real que experimentarán los equipos hasta la Fase 3.
Lecciones de microrred para una cuadrícula más grande
Cada equipo tiene un enfoque diferente para las soluciones de almacenamiento de microrredes: uno usa baterías de flujo redox, otros traen sus propios controladores de microrred y otro está validando el almacenamiento de baterías de fosfato de hierro y litio. A partir de la Fase 2, los equipos participantes están dirigidos por Ameresco, el Energy Power Research Institute, Raytheon y SRI y la Arizona State University. Cummins, que ayudó a NREL a construir la plataforma de investigación de microrredes militares y contribuyó con su controlador de microrredes al diseño, también se ha lanzado al programa. NREL no pudo resistirse a entrar en acción también.
Los equipos tienen un interés importante en el programa: las validaciones exitosas podrían llevar sus productos desde una relativa oscuridad a los mercados de la energía en cualquier lugar, con la ventaja de haber sido probados en aplicaciones altamente exigentes. Pero la industria de la energía en general puede ganar algo más: las demostraciones están estableciendo los primeros datos sobre lo que funciona para aplicaciones críticas de almacenamiento de energía en microrredes.
“Este proyecto trata de aprender cómo las cargas críticas pueden sobrevivir a situaciones de desastre y apagones”, dijo Martha Symko-Davies, directora del programa de laboratorio de los Fondos EIE. “No estamos validando microrredes solo para el ejército; queremos hacer esto para todo el país. Los campus y sistemas de microrredes del futuro buscarán ejemplos en este proyecto, y en NREL para las capacidades de investigación de microrredes que no existen en ningún otro lugar “.
En esta perspectiva, los equipos del proyecto soportan las pruebas más duras para que las microrredes futuras puedan sobrevivir mejor en los peores escenarios. Las validaciones de NREL obligan a tomar decisiones difíciles que podría enfrentar una microrred crítica, como elegir entre múltiples cargas críticas. Para los equipos participantes, sus conceptos de etapa inicial que apenas han tenido aplicaciones comerciales se enfrentan a desastres que cualquier sistema esperaría no ver nunca, pero que, sin embargo, debe prepararse.
“Algunas universidades mantienen inventarios de miles de millones de dólares de cultivos celulares con temperatura controlada, por ejemplo. Esta es una carga crítica en comparación con otros edificios en el campus, y una microrred funcional debería poder asignar energía en consecuencia ”, dijo Miller.
NREL está avanzando en soluciones distribuidas de control y optimización de redes y microrredes a través de investigaciones como Autonomous Energy Systems y productos como OptGrid.
Más allá de las tecnologías específicas, este programa de evaluación de ESTCP está creando un conocimiento importante para las microrredes en general. Microrredes en red son un enfoque de próxima aparición para acomodar la energía distribuida al tiempo que se mejora la resistencia frente a amenazas futuras. Igualmente, la cartera de trabajo de Autonomous Energy Systems está desarrollando controles de microrred para la configuración y operación autónomas de sistemas de microrred conectados. En cada tema, el programa ESTCP muestra cómo se ven las operaciones críticas de microrredes: los resultados reales de la aplicación de activos de energía renovable a eventos de resiliencia.
A medida que los participantes pasan a la Fase 3 del programa (instalación en uno de los siete sitios de microrredes del DOD), la industria se acerca un paso más a las microrredes renovables resistentes. A pesar de todas las expectativas de que las microrredes y las energías renovables podrían soportar de manera confiable cargas críticas, está llegando una nueva clase de actores comerciales con los primeros datos para mostrar exactamente cómo.
Artículo cortesía de NREL.
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Y eso es todo por ahora, me despido hasta una nueva noticia. ¡Hasta la próxima!