Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory demonstraram recentemente uma nova tecnologia para controlar melhor como a energia flui de e para edifícios comerciais equipados com energia solar, eólica ou outra geração de energia renovável.
"Estamos criando uma rede elétrica do futuro que permite que a energia renovável seja implantada da maneira mais eficaz", disse Madhu Chinthavali, do ORNL, que lidera a pesquisa. "Com esta nova arquitetura de interface de rede, as operadoras podem controlar os fluxos de energia de forma muito mais significativa, mesmo quando a geração de energia é descentralizada."

A energia renovável é fundamental para ajudar o setor elétrico dos EUA a atingir as metas nacionais de descarbonização. Mas eles também adicionam incerteza à rede elétrica porque estão disponíveis de forma desigual em todo o país e geram eletricidade de forma intermitente. Desenvolver e coordenar sistemas eletrônicos de potência para incorporar esses recursos mais facilmente é vital para criar uma rede mais resiliente para eletricidade confiável.

A equipe de pesquisa de Chinthavali projetou um hub híbrido de eletrônica de potência CA/CC para atuar como um guardião entre a rede maior e os subsistemas, incluindo energias renováveis, geradores e armazenamento de baterias. A tecnologia foi desenvolvida e testada no Centro de Integração e Implantação de Pesquisa de Rede do Departamento de Energia, ou GRID-C, no ORNL.

O GRID-C oferece uma plataforma única para a construção de sistemas de eletrônica de potência, começando com o menor componente, depois testando e demonstrando sistemas completos que incorporam hardware e simulação. No laboratório de baixa tensão, fileiras de contêineres de metal abrigam conversores eletrônicos de potência desenvolvidos pelo ORNL, arrastando cabos mais grossos que um pulso e terminando em plugues tão largos quanto uma placa. Esses conversores fornecem diferentes níveis de potência para alimentações elétricas com base em diferentes cenários. Eles são combinados com emuladores de energia igualmente grandes que podem imitar a energia fornecida por um painel solar ou um sistema de bateria. Enormes telas sensíveis ao toque permitem que os engenheiros reorganizem o sistema e ajustem sua operação.

Os engenheiros do ORNL projetaram o hub de eletrônica de potência para controlar como os conversores interagem entre si e com a rede. Os emuladores são configurados para imitar o consumo elétrico e a geração de um painel solar, uma bateria de armazenamento, um gerador de emergência e um data center crítico com alta demanda elétrica. O hub de eletrônica de potência foi programado para gerenciar de forma autônoma o fluxo de energia de todas essas cargas elétricas, ajudando a evitar flutuações na oferta e demanda na rede elétrica mais ampla.

O hub de eletrônica de potência desempenha o papel de um gerente intermediário entre a rede elétrica maior e a eletrônica de potência local. "Em vez de a concessionária falar com, digamos, um milhão de recursos, essa tecnologia reduz esse número por um fator de 10", disse Michael Starke, do ORNL, arquiteto de software líder do projeto. "Do ponto de vista de uma concessionária, todos os equipamentos gerenciados pelo hub de eletrônica de potência funcionam como um único sistema."

Esta é uma vantagem para as empresas de energia que enfrentam a incorporação de energia distribuída e intermitente de fontes solares, eólicas, geotérmicas e outras fontes renováveis ​​em uma rede centenária projetada para impulsionar fluxos constantes de energia de usinas centralizadas.

Conceitos semelhantes foram testados por algumas concessionárias, mas essas abordagens usam produtos proprietários de um único fornecedor de maneira prescrita, disse Starke. Como o ORNL construiu os conversores eletrônicos de potência e muitos dos componentes, a tecnologia resultante está disponível abertamente e pode ser personalizada para atingir objetivos específicos.

Por exemplo, experimentos da equipe de Chinthavali mostraram que o hub de eletrônica de potência pode priorizar o fornecimento da maior economia de custos para os sistemas de propriedade do cliente ou o fornecimento consistente de energia para sistemas de concessionárias. Os pesquisadores do ORNL demonstraram que esses objetivos podem ser integrados diretamente ao hardware e software, e também desenvolveram a infraestrutura de comunicação e controle de suporte.

"Começa com pré-teste e pré-automatização de sistemas que podem ser facilmente ampliados e implantados rapidamente", disse Chinthavali, acrescentando que o projeto levou a três pedidos de patente. "Estamos tentando padronizar os sistemas para que sejam interoperáveis." Ir além da modelagem para demonstrar a tecnologia em hardware com fio foi um marco que só foi possível devido aos recursos do ORNL em GRID-C. "Este é o único lugar onde podemos desenvolver software e hardware para nos prepararmos totalmente para implantar essa tecnologia na indústria", disse Chinthavali.

Vários setores podem ver benefícios significativos. A tecnologia pode ser usada por um construtor ou proprietário do edifício para economizar dinheiro e energia, ou pode ser instalada por uma concessionária para maior controle de energia e confiabilidade. A equipe está avançando para a próxima etapa da pesquisa:a substituição de conversores comerciais de maior potência, garantidos diretamente da indústria. Isso demonstrará que o hub de eletrônica de potência pode gerenciar os megawatts de energia manipulados pelas concessionárias de energia elétrica usando componentes de fornecedores comerciais.

A equipe do ORNL que desenvolveu o hub de eletrônica de potência inclui Steven Campbell, arquiteto-chefe de integração de sistemas; Ben Dean, desenvolvedor de interface de comunicação; Jonathan Harter, especialista em sistemas de hardware; e Rafal Wojda, especialista em sistemas magnéticos.

"We're now working on how to extend these power electronics hubs from small scale to thousands working together, coordinating to deliver energy as needed from all sorts of different angles and different sources," Starke said. "We're trying to show that the power electronics hub can act like a battery almost, pushing power in and out under our control. That provides all kinds of flexibility to the grid that wasn't there before."

The power electronics hub is an example of the type of technology developed in GRID-C that could be deployed with a potential consortium of partners. ORNL held an interest meeting today with stakeholders from industry, utilities and research institutions to discuss power electronics challenges and strategies. Participants discussed a possible framework for an organization to accelerate development and deployment of power electronics systems for managing the electric grid of the future. + Explorar mais

World's largest flow battery energy storage station connected to grid