Потенциал морской ветроэнергетики США зависит от интеллектуальной сетевой интеграции

Щелкните выключателем, и свет загорится. Это то, чего ожидают американцы, благодаря электросети, которая снабжает энергией из возобновляемых и традиционных источников миллионы домов и предприятий.

Ветровые турбины, которые начинают подниматься в водах у берегов страны, могут обеспечить обильную чистую энергию густонаселенными прибрежными городами и более крупной национальной энергосистемой. Но во-первых, вырабатываемая ими энергия должна передаваться через многие мили океанических вод и береговой линии с использованием систем передачи, которые не были предназначены для обработки больших объемов энергии, передаваемой с берега.

Иллюстрация Джоша Бауэра, NREL

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США (DOE) запустила планы по разработке технологий и стратегий, необходимых для интеграции надвигающейся волны морских ветряных установок в энергосистему. Успех лаборатории в интеграции - от всемирно известной работы над системами возобновляемой энергии для коммунальных предприятий до всеобъемлющего видения развития морской ветроэнергетики и сотрудничества с отраслевыми партнерами - направляет усилия по эффективной и доступной доставке энергии с морских электростанций.

«Опыт интеграции широко распространенных наземных возобновляемых источников энергии в Соединенных Штатах и морских ветроэнергетических установок в Европе показывает, что координация передачи в больших регионах позволяет добиться экономии за счет масштаба и операционной эффективности, что может обеспечить значительную экономию средств», - сказал руководитель отдела интеграции морских ветровых сетей NREL. Мелинда Маркиз. «Проблемы включают распределение затрат и технические требования, предъявляемые к оффшорным предприятиям».

Основываясь на ранее проведенном Министерством энергетики США Национальном исследовании по объединению морских ветроэнергетических сетей (NOWEGIS), NREL планирует изучить ряд сценариев интеграции морских ветроэнергетических установок в более крупную сеть путем оценки факторов экономики, надежности, эксплуатации и стабильности. Исследователи изучают взаимодействие между конфигурациями и технологиями передачи, требованиями к интеграции в сеть, вариантами накопления энергии и другими возобновляемыми источниками энергии.

Результаты этого исследования предоставят правительствам и лицам, принимающим решения, проверенные научные данные и инструменты, необходимые для создания устойчивых и конкурентоспособных на рынке морских ветряных электростанций, которые принесут максимальную выгоду энергосистеме, заинтересованным сторонам отрасли, плательщикам налогов и окружающей среде.

Комплексное планирование: сотрудничество для получения максимальных выгод от разработки морских месторождений

Портфель исследований NREL использует интегрированный, общесистемный подход для максимизации производительности, эффективности и воздействия возобновляемых источников энергии, от отдельных компонентов до электростанций и региональных электрических сетей. Количественно оценивая, какие морские ветряные электростанции могут внести вклад в более крупную региональную или национальную сеть энергетических решений, исследователи могут помочь заинтересованным сторонам убедиться, что они устанавливают правильные приоритеты в исследованиях, инвестициях и политике.

До сих пор коммунальные предприятия и оффшорные застройщики, как правило, рассматривали объединение линий электропередачи для каждой ветряной электростанции индивидуально. Такой подход, ориентированный на конкретный проект, часто означает, что разработчики упускают возможность объединить ресурсы и знания в общих сетях, охватывающих более крупные регионы, что может улучшить финансовую жизнеспособность, технические характеристики и потенциал для долгосрочного успеха.

«Крупномасштабное развитие десятков морских ветроэнергетических проектов потребует согласованной интеграции структуры производства электроэнергии, включая хранение», - сказал Уолт Мюзиал, ведущий специалист по морской ветроэнергетической платформе NREL. «Не только технологии должны работать вместе, но региональное сотрудничество в более крупных географических регионах также может быть необходимо для оптимальной надежности и доступности системы».

Были взяты политические обязательства по добавлению к энергосистеме 30 гигаватт, что эквивалентно примерно 3% нынешних генерирующих мощностей США, в морской ветроэнергетике к 2035 году. Многие запланированные морские проекты расположены на североатлантическом побережье, но интерес растет во всех регионах. Соединенных Штатов, и есть большой потенциал для синергетического развития и экономии за счет масштаба.

Хотя заинтересованные стороны электроэнергетики осознают важность минимизации затрат на передачу, может быть сложно определить, как распределить ответственность между коммунальными предприятиями, правительствами штатов, налогоплательщиками и разработчиками. Если эти организации смогут разработать способ разделения ответственности, например, планирование общих линий присоединения и финансирование линий электропередачи, это может повысить надежность, устойчивость и эффективность сети; снизить стоимость проекта на 10–18%; и уменьшить конфликты с коммерческой рыболовной деятельностью.

Государства начинают осознавать, что региональное сотрудничество по планированию морских ветроэнергетических систем может увеличить бюджетные расходы и укрепить инфраструктуру. Законодательное собрание штата Нью-Джерси недавно проголосовало за принятие скоординированного подхода путем интеграции морских разработок и связанных с ними обновлений на суше в процесс планирования регионального оператора энергосистемы.

Исследователи NREL проводят исследования по моделированию передачи, которые оценивают влияние различных сценариев развития возобновляемых источников энергии на надежность, перегрузку, значение мощности, отказоустойчивость и связанные с ними экономические факторы. Персонал сотрудничает с разработчиками, операторами, коммунальными предприятиями, государственными учреждениями, другими исследовательскими организациями и прибрежными сообществами, чтобы изучить варианты морской ветровой передачи с различных точек зрения.

Интегрированные технологии: комплексные подходы к оптимизации производительности морской транспортировки

Морская ветровая передача требует сложных технологий, которые включают в себя морские турбины, оборудование для передачи этой энергии на берег и береговые точки межсетевого соединения. Эти точки подключения должны быть размещены в местах в более крупной электрической сети, где электроэнергия может быть распределена между домами и предприятиями вдоль побережья.

«Глядя на то, как эти компоненты работают вместе как система, мы можем оптимизировать вклад морского ветра в энергосистему», - сказал Дэвид Корбус, ведущий специалист по интеграции ветровых сетей NREL. «Мы можем найти инновационные способы решения технологических проблем, характерных для морских установок, при одновременном повышении надежности, устойчивости и производительности всей энергосистемы».

Исследователи NREL оценивают новые технологии и разрабатывают методы контроля для оптимизации интеграции возобновляемых источников энергии в сеть. Например, стандартный подход подключения оффшорных проектов к существующим наземным точкам соединения неэффективен и мало способствует повышению надежности сети.

NREL изучает инновационные, многополюсные и передовые варианты высоковольтного переменного / постоянного тока (HVAC / HVDC), способные обрабатывать крупномасштабные передачи, надежно работать, несмотря на экстремальные условия, связанные с глубинами океана и климатом, и снижать барьеры для коммерческой рыболовной деятельности. Европейский Союз уже разработал некоторые ключевые технологии для этих многополюсных систем, особенно для передачи HVDC, но все еще необходимы исследования, чтобы подтвердить совместимость морских и наземных компонентов, а также влияние стратегий многотерминальных HVDC на управление сетью, работу и надежность., и отказоустойчивость.

Исследовательская платформа передовых исследований интегрированных энергетических систем (ARIES) NREL, кампус Flatirons и Energy Systems Integration Facility предоставляют высокопроизводительные вычислительные ресурсы мирового класса и экспериментальные лаборатории для внедрения этих инновационных технологий и стратегий морской ветровой передачи в различные комбинации., конфигурации и сценарии. Сложные программные инструменты, созданные NREL, позволяют исследователям создавать модели и моделировать работу на основе огромных коллекций лабораторных реальных данных.

Комплексное видение: партнерство для достижения прорывов в морской транспортировке

Работа NREL и его партнеров - от рекомендации вариантов для точного определения арендованных участков до разработки эффективных стратегий интеграции энергосистем - продолжает способствовать развитию морской ветроэнергетики. Лаборатория разработала 10-летний стратегический план исследований интеграции морских ветроэнергетических установок, который требует постоянных исследований в областях генерации, передачи, хранения, эксплуатации, спроса, стабильности и надежности.

Команда работает над устранением специфических для региона барьеров для передачи ветровой энергии от берега. Землетрясения, глубокие подводные каньоны и недостатки существующей береговой инфраструктуры создают сложности для систем передачи данных вдоль Тихоокеанского побережья. Системы электропередачи на южноатлантическом побережье и в Мексиканском заливе должны противостоять ураганам и адаптироваться к различным бизнес-моделям, менее привычным к интеграции возобновляемых источников энергии. Замерзшая вода и ограничения пропускной способности сети также создают уникальные проблемы для Великих озер.

В дополнение к обширному изучению сценариев ветрового ветра на восточном побережье, NREL оценивает потенциал прибрежного ветра, чтобы помочь Гавайям достичь своей цели 100% возобновляемой энергии к 2045 году. В будущих исследованиях NREL будут более подробно рассмотрены варианты проектирования «магистрали» передачи, когда Создана прибрежная передающая сеть, которая может обслуживать несколько штатов и морские ветровые проекты.

Исследователи сетевой интеграции также рассматривают варианты хранения энергии для устранения колебаний выработки электроэнергии в гибридных системах, способных надежно согласовывать требования к нагрузке с использованием морской энергии, ветра на суше, солнечной энергии и других возобновляемых и традиционных источников.

Для решения проблем интеграции морских ветроэнергетических систем NREL объединил усилия с партнерами, включая Бюро по управлению океанической энергией (BOEM), Бизнес-сеть для морских ветроэнергетических установок (BNOW), Калифорнийский независимый системный оператор (CAISO), Комиссию по коммунальным предприятиям Калифорнии (CPUC), Комиссия по энергетике Калифорнии (CEC), Управление энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк (NYSERDA), ISO-Новая Англия (ISO-NE), ISO Нью-Йорка (NYISO), Энергетический пул Пенсильвании, Нью-Джерси, Мэриленд (PJM) и National Offshore Wind Консорциум исследований и разработок (NOWRDC).

«Ценность морского ветра может возрасти, если он будет интегрирован в сеть и другие возобновляемые источники энергии», - сказал Мусял. «Морской ветер может помочь диверсифицировать сектор электроэнергетики и дополнить другие возобновляемые источники, чтобы обеспечить эффективное и доступное электричество для домов, предприятий и растущего парка электромобилей».

Это одна из серии статей, посвященных исследованиям и разработкам NREL в области морской ветроэнергетики. Узнайте больше о морских, наземных и распределенных ветровых исследованиях лаборатории, а также о возможностях партнерства.