10 Jahre führende Innovation im Bereich Energiesysteme

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Tauchen Sie ein in 10 Innovationen aus dem ersten Jahrzehnt der Energy Systems Integration Facility des NREL

Als die Energy Systems Integration Facility (ESIF) im September 2013 ins Leben gerufen wurde, hatte sie bereits Geschichte geschrieben. Als architektonisches Wunderwerk entsprach das Design des ESIF der Wissenschaft, die es in der Einrichtung bieten würde: bereichsübergreifende, datengestützte, radikal effiziente Energiesystemwissenschaft. Das ESIF wurde neben 600 Millionen Jahre alten Lavaströmen am Rande des South Table Mountain Campus des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums errichtet und wurde zu einem lebendigen Labor, in dem sich Forschung, Gebäude und Ausrüstung gemeinsam entwickeln.

In den letzten 10 Jahren hat das ESIF des NREL entscheidende saubere Energietechnologien entwickelt und die Welt auf die Integration dieser Technologien vorbereitet. Die ESIF und ihre Mitarbeiter haben Gemeinden und Ländern dabei geholfen, Rekordmengen an erneuerbarer Energie zu erreichen, und Unternehmen dabei geholfen, den innovativen Vorsprung der Energieintegration zu erkunden.

Als Nutzereinrichtung pflegt die ESIF eine kontinuierliche enge Zusammenarbeit. Partner unterschiedlicher Größe und Reichweite haben Lösungen im ESIF-Ökosystem entwickelt, die Daten und Berechnungstools von ESIF genutzt, um Entdeckungen voranzutreiben, oder ihre eigenen Mitarbeiter und Betriebe buchstäblich in die Ausrüstung für uneingeschränkt zugängliche Forschung und Entwicklung eingebunden. Da die ESIF nun ihre Fähigkeiten mit dem Flatirons Campus des NREL zusammenführt, um die erstklassige Plattform „Advanced Research on Integrated Energy Systems“ (ARIES) zu bilden, wird die ESIF-Marke der integrierten Forschung weiter gestärkt.

Um einige der nachhaltigsten Errungenschaften der ESI-Fonds im letzten Jahrzehnt in Erinnerung zu rufen und zu feiern, fasst die folgende Liste in beliebiger Reihenfolge zehn Fortschritte zusammen, die ihre Einzigartigkeit, Weitsicht und anhaltende Bedeutung voll und ganz widerspiegeln. Angesichts dieser Erfolge ist es kaum vorstellbar, wo erneuerbare Energien ohne die ESI-Fonds stünden.

Einer der ersten ESI-Fonds-Partner kam mit einem Problem an, das sich als schwierig erwies. Die Hawaiian Electric Company stand vor der Herausforderung und benötigte dringend neue sichere Steuerungen für Wechselrichter, Geräte, die erneuerbare Energien mit dem Netz verbinden. ESIF-Ingenieure simulierten das hawaiianische System im Labor – komplett mit Wechselrichtern im Regelkreis –, um die richtigen Steuerungen zur Stabilisierung der Netzspannung zu empfehlen. Diese Erkenntnisse sind zu einem Leitfaden für andere Inseln geworden, die ihre Abhängigkeit von importiertem Treibstoff reduzieren.

Lernen Sie das Inverter National Renewable Energy Laboratory – NREL | kennen (Youtube)

Das war erst der Anfang. Nahezu identische Arbeiten werden heute fortgesetzt, nur in größerem Umfang. Nun fragen sich Ingenieure: „Wie können wir ein System mit 100 % wechselrichterbasierten Ressourcen verwalten?“ – ein Ziel, das nur aufgrund immer fortschrittlicherer ESIF-Experimente möglich ist. Das ESIF half bei der Festlegung der heutigen Wechselrichterstandards für die Netzverbindung und unterstützte später ein mit dem R&D 100 Award ausgezeichnetes Produkt, das Wechselrichtersollwerte konfiguriert, um Solaranwendungen auf Dächern zu optimieren. Als ein kalifornischer Energieversorger das Tool einsetzte, um mit dem Interesse an Solaranlagen auf Dächern Schritt zu halten, begann die Bearbeitung von Anträgen innerhalb von Minuten statt Wochen. Sogar das moderne Mikrowechselrichterdesign ist frühen ESIF-Projekten zu verdanken.

Seit 10 Jahren ermöglicht das ESIF Forschern, Wechselrichtersteuerungen in hyperrealen Simulationen zu entwerfen und zu implementieren. Diese Fähigkeit ist gefragter denn je, und ARIES erweitert die Validierungsfunktionen des ESIF um neue physische und virtuelle Möglichkeiten.

Ein früher Besucher des ESIF würde sich an einen futuristischen, transparenten CUBE erinnern, der ein mobiles Mikronetz-bildendes System enthält, das für Notfälle oder militärische Außenposten geeignet ist; und ein Küchenprüfstand, in dem sich Gerätesteuerungen zu einer preisgekrönten Smart-Home-Software entwickelten. Dabei handelte es sich um Sondierungsprojekte für eine neue Dimension von Energiesystemen: Steuerbarkeit am Rande des Netzes.

Das Mikronetz von Borrego Springs kann an eine Solaranlage eines Drittanbieters angeschlossen werden, um die Stadt mit Strom zu versorgen. Foto mit freundlicher Genehmigung der San Diego Gas & Electric Company, über NREL.

Im Laufe der Zeit fügte das ESIF führende Hardware für die Mikronetzsteuerung, einen Prüfstand für Versorgungsunternehmen zur Modernisierung ihrer Verteilungssysteme und innovative Steuerungen zur Geräteoptimierung in Echtzeit hinzu. Dies ermöglichte es den ESIF, ihre einzigartigen Lösungen mit landesweit skalierbaren Demonstrationen in entlegene Winkel des Landes zu exportieren. Ein Wüsten-Mikronetz mit gemischter Technologie stützte sich auf jahrelange ESIF-Validierung und wurde zum größten Mikronetz für saubere Energie der Welt. Ein Viertel mit bezahlbarem Wohnraum erreichte Netto-Null mit verteilten und autonomen Steuerungen, die im Rahmen der ESIF entwickelt wurden. und Militärstützpunkte konkurrierten um den widerstandsfähigsten Microgrid-Controller mit ESIF-Geräten.

Die ESIF sind seit Jahren Vorreiter bei der Einführung fortschrittlicher Verteilungsmanagementsysteme, die Versorgungsunternehmen und Genossenschaften die Steuerung und Erfassung ermöglichen, um Chancen am Netzrand zu nutzen. Diese Arbeit ermöglicht große Versorgungsübergänge und hat Strategien zur autonomen Steuerung von Millionen von Geräten und Methoden für die sofortige Wiederherstellung von Mikronetzen mithilfe erneuerbarer Energien inspiriert.

Viele Arten von leichten, mittelschweren und schweren Elektrofahrzeugen (EVs) haben die ESI-Fonds durchlaufen. In den Hochregallaboren wird gelegentlich ein Sattelschlepper oder ein Schulbus an Netzemulatoren angeschlossen. Oder manchmal lädt eine Gruppe von Elektrofahrzeugen neben einem nachgebauten Wohngebäude. Diese Arbeit bereitet Energiesysteme auf den raschen Anstieg der weit verbreiteten Elektrifizierung des Verkehrs vor, beispielsweise als ESIF-Ingenieure zur Modellierung eines verkehrsorientierten energieeffizienten Bezirks beitrugen und intelligente Ladesteuerungen entwarfen, die dann mithilfe der Personalgaragen des NREL validiert wurden.

Peña Station NEXT: Visualisierung eines Netto-Null-Energie-Bezirks National Renewable Energy Laboratory – NREL | (Youtube)

Die ESIF haben stets neue Möglichkeiten für die Integration von Elektrofahrzeugnetzen eröffnet. Fahrzeugpartner wandten sich zunächst an die ESIF, um eine offene Schnittstelle für Elektrofahrzeuge zur Bereitstellung von Netzdiensten zu schaffen, später dann, um einen universellen Hochleistungsladestandard im Megawatt-Maßstab für schwere Elektro-Lkw zu entwickeln und kürzlich Verbesserungen der Cybersicherheit des Ladens zu untersuchen Stationen. Mit den Ergänzungen zu ESIF und ARIES wird die Elektrofahrzeugforschung nun integrierter, skalierbarer und umfassender als je zuvor.

Der NREL-Forscher Keith Davidson übt im eingeschalteten Zustand eine seitliche Kraft auf den MCS-Stecker aus. Foto von Dennis Schroeder, NREL.

Bei den Rohrleitungen und Hochdruckkammern des ESIF wurden auf allen Ebenen der Wasserstoffwissenschaft Fortschritte erzielt. Die Anlage verfügt über eine Reihe von Geräten zur Herstellung, Komprimierung, Speicherung, zum Transport und zur Nutzung von Wasserstoff – und natürlich zur Integration von Wasserstofftechnologien in Energiesysteme.

Da die ESIF-Forschung zum Komponenten- und Systemdesign die Kosten für Wasserstoff senkte, entwarfen Ingenieure auch sichere und standardisierte Wasserstoffnetzverbindungen. Die ESIF halfen bei der Beantwortung der Frage, wie Brennstoffzellen Teil des Stromsystems sein können und wie Elektrolyseure begrenzten erneuerbaren Strom gewinnen können. Die ESI-Fonds haben insbesondere bei der Verknüpfung von Wasserstoff mit anderen Infrastrukturen eine herausragende Rolle gespielt. Ein denkwürdiges Beispiel ist der 25-Fuß-Bioreaktor, der ursprünglich das Interesse an exotischen Abfall-zu-Brennstoff-Pfaden weckte. Die ESIF halfen dabei, den Bioreaktor vom Kern einer Idee über gemeinsame Forschung und Entwicklung bis hin zu einem Pilotprojekt mit einem der größten Erdgasverteilungsunternehmen des Landes zu entwickeln.

Wasserstofffahrzeuge, die direkt vor der Tür tanken, sind seit jeher beim ESIF präsent. Als leichte Wasserstofffahrzeuge erstmals in nennenswerter Zahl auf die Straße kamen, trugen die ESIF dazu bei, einen sicheren Betankungs- und Inbetriebnahmeprozess zu standardisieren, der noch heute von Wasserstofftankstellen genutzt wird. Unterdessen haben ESIF-Ingenieure die Betankungszeiten von Fahrzeugen systematisch verkürzt und im Jahr 2022 einen Rekord für die Betankung schwerer Nutzfahrzeuge aufgestellt, was neue Wege für Wasserstoff eröffnen könnte, um fossile Brennstoffe im emissionsintensiven Fernverkehr zu ersetzen.

Bei den Rohrleitungen und Hochdruckkammern des ESIF wurden auf allen Ebenen der Wasserstoffwissenschaft Fortschritte erzielt. Die Anlage verfügt über eine Reihe von Geräten zur Herstellung, Komprimierung, Speicherung, zum Transport und zur Nutzung von Wasserstoff – und natürlich zur Integration von Wasserstofftechnologien in Energiesysteme.

Da die ESIF-Forschung zum Komponenten- und Systemdesign die Kosten für Wasserstoff senkte, entwarfen Ingenieure auch sichere und standardisierte Wasserstoffnetzverbindungen. Die ESIF halfen bei der Beantwortung der Frage, wie Brennstoffzellen Teil des Stromsystems sein können und wie Elektrolyseure begrenzten erneuerbaren Strom gewinnen können. Die ESI-Fonds haben insbesondere bei der Verknüpfung von Wasserstoff mit anderen Infrastrukturen eine herausragende Rolle gespielt. Ein denkwürdiges Beispiel ist der 25-Fuß-Bioreaktor, der ursprünglich das Interesse an exotischen Abfall-zu-Brennstoff-Pfaden weckte. Die ESIF halfen dabei, den Bioreaktor vom Kern einer Idee über gemeinsame Forschung und Entwicklung bis hin zu einem Pilotprojekt mit einem der größten Erdgasverteilungsunternehmen des Landes zu entwickeln.

Wasserstofffahrzeuge, die direkt vor der Tür tanken, sind seit jeher beim ESIF präsent. Als leichte Wasserstofffahrzeuge erstmals in nennenswerter Zahl auf die Straße kamen, trugen die ESIF dazu bei, einen sicheren Betankungs- und Inbetriebnahmeprozess zu standardisieren, der noch heute von Wasserstofftankstellen genutzt wird. Unterdessen haben ESIF-Ingenieure die Betankungszeiten von Fahrzeugen systematisch verkürzt und im Jahr 2022 einen Rekord für die Betankung schwerer Nutzfahrzeuge aufgestellt, was neue Wege für Wasserstoff eröffnen könnte, um fossile Brennstoffe im emissionsintensiven Fernverkehr zu ersetzen.

Da Cyberangriffe und Unwetter im letzten Jahrzehnt zu einem zunehmenden Problem wurden, mobilisierte die ESIF schnell eine Forschungsbasis für Energieresilienz. Eine Zunahme komplexer Cyber-Bedrohungen veranlasste ESIF-Ingenieure, neue Tools zu entwickeln, die Datennetzwerke auf Energieanomalien überwachen könnten, andere, die die Kommunikation zwischen Energiegeräten authentifizieren könnten, und ein weiteres, das 5G-Netzwerk-Slicing zum Schutz vor häufigen Cyberangriffen nutzt. In den ESI-Fonds ist Cybersicherheit mittlerweile ein einrichtungsübergreifender Schwerpunkt. Es lässt sich insbesondere mit der Arbeit rund um die Steuerung und Kommunikation von Geräten sowie mit Resilienzstrategien mithilfe von Mikronetzen kombinieren.

Die Cyber-Reihe von NREL: Eine virtuelle Umgebung für eine maßstabsgetreue High-Fidelity-Bewertung – NREL| (Youtube)

In einer der bedeutenderen Aktualisierungen der ESIF wurde ein spezielles Cyber-Resilienz-Labor mit einem benutzerdefinierten NREL-Tool als Herzstück hinzugefügt: einem Cyber-Bereich zur Emulation und Visualisierung von Energie-Cyber-Systemen. Dieser Ausbau hat die Cybersicherheit rund um NREL in den Mittelpunkt gerückt, wo Mitarbeiterschulungen und Studentenwettbewerbe auf einen Wandel hin zu einer sicherheitsbewussten Generation hindeuten.

Das Rechenzentrum für Hochleistungsrechnen (HPC) der ESIF war vom ersten Tag an darauf ausgelegt, das energieeffizienteste der Welt zu sein. Es verfügt über äußerst energieeffiziente Supercomputing-Ressourcen, die für Aufsehen sorgten und nach ihrem Debüt im Jahr 2013 mit dem bahnbrechenden Einsatz von Warmwasser-Flüssigkeitskühlung und Abwärmerückgewinnung als Labor des Jahres ausgezeichnet wurden. Während die HPC-Ausrüstung viel Strom verbraucht, wurde der Aufwand für die Kühlung des Rechenzentrums sorgfältig optimiert. Die meisten Produktionsrechenzentren verbrauchen zusätzliche 40–60 % zusätzliche Energie für die Kühlung, während das ESIF regelmäßig nur 3 % zusätzliche Energie für die Kühlung von HPC-Systemen im Rechenzentrum verbraucht.

Über Generationen von Supercomputern hinweg beeindruckte das Rechenzentrum weiterhin und demonstrierte mit Hilfe einer Wasserstoff-Brennstoffzelle und innovativen Kühlprodukten das weltweit erste kohlenstofffreie Rechenzentrum. Das rekordverdächtige Design für Wassereffizienz halbierte den Wasserverbrauch des Rechenzentrums und führte zu einem kommerziellen Produkt. Das ESIF-Rechenzentrum ist immer noch das energieeffizienteste der Welt und unterstützt führende Computerinnovationen, und das sagt nichts darüber aus, was unser HPC leisten kann.

Zu den Vorteilen von HPC und leistungsstarken Datenressourcen gehört die Möglichkeit, Experimente zu visualisieren, und die ESIF macht das Beste daraus. 2D-, 3D- und immersive Visualisierungen sind ein Portal für neue Energieverständnisse, beispielsweise die genaue Perspektive, die erforderlich ist, um Verunreinigungen in Solarmodulen zu lokalisieren oder Windkraftanlagen zu optimieren. Beispielsweise können turbulente Wirbelströme in Windparks die Turbinen verschleißen und deren Effizienz verringern. Mithilfe hochpräziser Simulationen entdeckten Ingenieure Entwurfs- und Betriebsstrategien für Windkraftanlagen, um diese Auswirkungen abzumildern.

Eine Forschungskooperation zwischen NREL und dem GE Global Research Center hat herausgefunden, wie sich Jetstreams in geringer Höhe auf die Leistung von Windparks auswirken. Bild von Nicholas Brunhart-Lupo, NREL.

Ingenieure und Partner bei ESIF weisen darauf hin, dass wissenschaftliche Visualisierungen einen einzigartigen Einblick in ihre Projekte bieten, der sonst nicht zugänglich wäre. Nicht nur visuell, sondern auch taktil und hörbar – Forscher können in ihrer Wissenschaft existieren. Die Ingenieure, die hinter Datenimmersionen stehen, beschwören regelmäßig neue Umgebungen, um sich Phänomene wie Kraftfluss und Motorverbrennung vorzustellen, und garantieren so, dass die wissenschaftliche Immersion in den kommenden Jahren eine treibende Kraft für den Fortschritt im Bereich der erneuerbaren Energien sein wird.

Durch Hochleistungsrechnen wurde eine weitere differenzierende Fähigkeit der ESIF freigeschaltet: die Simulation und das Design ganzer Systeme. Diese hochmoderne Analyse schließt die Lücke zwischen den Ambitionen für saubere Energie und der praktischen Umsetzung. Durch Programme wie Clean Energy to Communities (C2C) modellieren und testen Gemeinden saubere Energiepläne, die ihren Prioritäten entsprechen, bevor sie sie vor Ort installieren. Diese Fähigkeit vereint das Beste aus den ESIF im Dienste von Gemeinden, die große Fragen zu Resilienz, Erschwinglichkeit, Gerechtigkeit und Gesundheit stellen. Die Projekte nutzen Simulationen von Energienetzen und ihren Kunden, echte Hardware-in-the-Loop und Szenarioanalysen, um Jahrzehnte in die Zukunft zu untersuchen. Mit diesen Zutaten ermöglicht HPC in den ESIF Gemeinden, Städten und Ländern, mit den Variablen zu spielen und ihre zukünftigen Entscheidungen zu projizieren.

Diese Projekte bilden in der Regel die Grundlage für wegweisende Energieinvestitionen. Supercomputing im ESIF spielte eine historische Rolle bei der Modellierung, wie das nationale Stromsystem über Übertragungsleitungen hinweg vernetzt werden kann, und nicht lange danach eine kohlenstoffarme Zukunft für ganz Nordamerika. Es hat Los Angeles Wege zur Dekarbonisierung aufgezeigt und tut nun dasselbe für Puerto Rico und Litauen. Regierungen können nicht alle Kosten, Interessen und Richtlinien analysieren, die sich auf die Energiewende auswirken, aber das HPC von ESIF kann dies und ist besser denn je für die Planung großer Systeme gerüstet.

Lernen Sie LA100 kennen: Die Los Angeles 100 % Renewable Energy Study, NREL| (Youtube)

Die Zukunft von ESIF ist untrennbar mit ARIES verbunden. ESIF wird weiterhin eine Basis für Technologieeinsatz- und Integrationsexperimente im bis zu 2-MW-Maßstab sein – während der Flatirons Campus die Skalierung und Technologiereichweite auf bis zu 20 MW erweitern wird und eine virtuelle Emulationsumgebung im Wesentlichen unbegrenzte Skalierbarkeit bieten wird. ARIES wird in der Lage sein, alles zu unterstützen, von der Feinabstimmung der Geräteintegration bis hin zu komplexen Multitechnologie-Implementierungen auf lokaler, regionaler und nationaler Ebene.

Die Überschneidung zwischen ESIF und ARIES bleibt eng. Beispielsweise bilden das Rechenzentrum und das Labor für Energiesicherheit und -resilienz am ESIF zusammen den virtuellen Emulationsraum für die Modellierung und Visualisierung cyberphysischer Systeme. Oder eine andere Synergie: Die Hardware-in-the-Loop-Infrastruktur der ESIF – alle Gebäude, Fahrzeuge, Wasserstoff- und Netztechnologien – kann mit ARIES-Hardware-in-the-Loop-Anlagen wie kommerziellen Windturbinen, Solaranlagen und Batterien verknüpft werden Energiesysteme.

Die ESIF und ARIES sind nun eine Pipeline von Netzforschungsgeräten, die die Energieerzeugung, -übertragung, -verteilung und -nutzung abdecken. Ihre vereinte Kraft wird durch die Fähigkeit, Systeme zu modellieren, zu virtualisieren und zu simulieren, sowie durch Hardware-in-the-Loop verschiedener multiphysikalischer Energiegeräte und -steuerungen vervielfacht. Mit ARIES ist die ESIF für die bevorstehenden Herausforderungen bei der Energiewende gerüstet.

Das ESIF ist die Flaggschiff-Nutzereinrichtung des Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) des Department of Energy (DOE), aber getreu dem Fokus auf Integration haben viele verschiedene DOE-Büros Projekte innerhalb der Einrichtung gestartet und Funktionen gesponsert, die dies ermöglichen die Arbeit möglich. Der ESIF ist das Produkt von Beiträgen der Programmbüros von EERE; das Amt für Cybersicherheit, Energiesicherheit und Notfallmaßnahmen; das Amt für Elektrizität; das Bundesenergiemanagementprogramm; die Netzmodernisierungsinitiative; und das DOE Golden Field Office. Darüber hinaus haben sich im letzten Jahrzehnt mehr als 300 externe Partner an der ESI-Fonds-Forschung beteiligt.

Die vielseitige Konfiguration der Forschungskapazitäten und die sorgfältige Führung des ESIF-Betriebsteams ermöglichen dieses Produktivitätsniveau und stellen sicher, dass sich die ESIF auf neue Herausforderungen bei der Systemintegration und Forschungsfragen konzentrieren können, sobald diese auftreten.

Was noch vor uns liegt? In Energiesystemen scheinen neue Richtungen nur eine Entdeckung entfernt zu sein. Welche Technologien und Ideen sich auch immer durchsetzen, sie werden wahrscheinlich den ESIF durchlaufen, wo eifrige Forscher und Betriebsteams Laborräume anpassen und Fähigkeiten erfinden werden, um eine Verbindung zur realen Integration herzustellen und wo Benutzer zusammenkommen und eine gemeinsame Basis bilden können. Auf diese Weise entwickeln sich die ESI-Fonds gemeinsam mit den Energiesystemen weiter, um uns auf die kommenden Herausforderungen vorzubereiten.

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Von Connor O'Neil und Moriah Petty. Artikel mit freundlicher Genehmigung von NREL.

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