Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge ont récemment fait la démonstration d'une nouvelle technologie permettant de mieux contrôler le flux d'énergie vers et depuis les bâtiments commerciaux équipés d'énergie solaire, éolienne ou d'autres sources d'énergie renouvelable.

"Nous créons un réseau électrique du futur qui permet aux énergies renouvelables d'être déployées de la manière la plus efficace", a déclaré Madhu Chinthavali de l'ORNL, qui dirige la recherche. "Avec cette nouvelle architecture d'interface réseau, les opérateurs peuvent contrôler les flux d'énergie de manière beaucoup plus significative, même lorsque la production d'électricité est décentralisée."

Les énergies renouvelables sont essentielles pour aider le secteur américain de l'électricité à atteindre ses objectifs nationaux de décarbonation. Mais ils ajoutent également de l'incertitude au réseau électrique car ils sont inégalement disponibles à travers le pays et produisent de l'électricité par intermittence. Développer et coordonner des systèmes électroniques de puissance pour intégrer plus facilement ces ressources est essentiel pour créer un réseau plus résilient pour une électricité fiable.

L'équipe de recherche de Chinthavali a conçu un concentrateur d'électronique de puissance hybride AC/DC pour agir comme un gardien entre le réseau plus large et les sous-systèmes, y compris les énergies renouvelables, les générateurs et le stockage des batteries. La technologie a été développée et testée au sein du Grid Research Integration and Deployment Center, ou GRID-C, du Department of Energy à l'ORNL.

GRID-C offre une plate-forme unique pour la construction de systèmes d'électronique de puissance, en commençant par le plus petit composant, puis en testant et en démontrant des systèmes complets qui intègrent à la fois du matériel et de la simulation. Dans le laboratoire basse tension, des rangées de conteneurs métalliques abritent des convertisseurs électroniques de puissance développés par l'ORNL, traînant des cordons plus épais qu'un poignet et se terminant par des prises aussi larges qu'une assiette. Ces convertisseurs fournissent différents niveaux de puissance aux alimentations électriques en fonction de différents scénarios. Ils sont associés à des émulateurs de puissance tout aussi grands qui peuvent imiter l'énergie fournie par un panneau solaire ou un système de batterie. D'énormes écrans tactiles permettent aux ingénieurs de réorganiser le système et d'ajuster son fonctionnement.

Les ingénieurs de l'ORNL ont conçu le hub d'électronique de puissance pour contrôler la façon dont les convertisseurs interagissent entre eux et avec le réseau. Les émulateurs sont configurés pour imiter la consommation électrique et la génération d'un panneau solaire, d'une batterie de stockage, d'un générateur de secours et d'un centre de données critique avec une forte demande électrique. Le hub d'électronique de puissance a été programmé pour gérer de manière autonome le flux d'énergie de toutes ces charges électriques, aidant à prévenir les fluctuations de l'offre et de la demande sur le réseau électrique plus large.

Le hub d'électronique de puissance joue le rôle de gestionnaire intermédiaire entre le réseau électrique plus large et l'électronique de puissance locale. "Au lieu que l'utilitaire parle à, disons, un million de ressources, cette technologie réduit ce nombre d'un facteur 10", a déclaré Michael Starke de l'ORNL, architecte logiciel principal du projet. "Du point de vue d'un utilitaire, tous les équipements gérés par le hub d'électronique de puissance fonctionnent comme un système unique."

Il s'agit d'un avantage pour les compagnies d'électricité confrontées à l'intégration d'énergie distribuée et intermittente provenant de sources solaires, éoliennes, géothermiques et d'autres sources renouvelables dans un réseau centenaire conçu pour extraire des flux constants d'énergie des centrales électriques centralisées.

Des concepts similaires ont été testés par certains services publics, mais ces approches utilisent les produits propriétaires d'un seul fournisseur d'une manière prescrite, a déclaré Starke. Étant donné que l'ORNL a construit les convertisseurs électroniques de puissance et de nombreux composants, la technologie résultante est librement disponible et peut être personnalisée pour atteindre des objectifs spécifiques.

Par exemple, les expériences menées par l'équipe de Chinthavali ont montré que le hub d'électronique de puissance peut accorder la priorité à la fourniture des économies de coûts les plus importantes aux systèmes appartenant aux clients ou à la fourniture d'une alimentation électrique constante pour les systèmes de services publics. Les chercheurs de l'ORNL ont démontré que ces objectifs peuvent être intégrés directement dans le matériel et les logiciels, et ils ont également développé l'infrastructure de communication et de contrôle de support.

« Cela commence par des systèmes de pré-test et de pré-automatisation qui peuvent être facilement mis à l'échelle et déployés rapidement », a déclaré Chinthavali, ajoutant que le projet a conduit à trois demandes de brevet. "Nous essayons de normaliser les systèmes afin qu'ils soient interopérables." Aller au-delà de la modélisation pour démontrer la technologie du matériel câblé a été une étape qui n'a été possible que grâce aux capacités d'ORNL dans GRID-C. "C'est le seul endroit où nous pourrions développer à la fois le logiciel et le matériel pour nous préparer pleinement au déploiement de cette technologie dans l'industrie", a déclaré Chinthavali.

Plusieurs industries pourraient voir des avantages significatifs. La technologie pourrait être utilisée par un constructeur ou un propriétaire de bâtiment pour économiser de l'argent et de l'énergie, ou elle pourrait être installée par un service public pour améliorer le contrôle de l'alimentation et la fiabilité. L'équipe passe à l'étape suivante de la recherche :remplacer des convertisseurs commerciaux de plus grande puissance obtenus directement auprès de l'industrie. Cela démontrera que le hub d'électronique de puissance peut gérer les mégawatts de puissance gérés par les services publics d'électricité en utilisant des composants de fournisseurs commerciaux.

L'équipe de l'ORNL qui a développé le hub d'électronique de puissance comprend Steven Campbell, architecte principal pour l'intégration des systèmes ; Ben Dean, communication interface developer; Jonathan Harter, hardware systems specialist; and Rafal Wojda, magnetic systems specialist.

"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. + Explorer plus loin

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