Energy Systems Integra.on Facili.es at NREL Ben - - PowerPoint PPT Presentation

Energy ¡Systems ¡Integra.on ¡ Facili.es ¡at ¡NREL ¡

¡

Ben ¡Kroposki, ¡Ph.D., ¡P.E. ¡

Director ¡– ¡Energy ¡Systems ¡Integra.on ¡ Na.onal ¡Renewable ¡Energy ¡Laboratory ¡ ¡ ¡

2 ¡

Reducing investment risk and optimizing systems in a rapidly changing energy world

• New energy technologies and services
• Increasing penetration of variable RE in grid
• New communications and control models
• Electrification of transportation
• Integrating energy storage
• Increasing system flexibility
• Understanding interactions between electricity/thermal/fuels

Current Energy Systems

Future Energy Systems

Why Energy Systems Integration?

3 ¡

NREL’s ¡Energy ¡Systems ¡Integra.on ¡Facili.es ¡

• Energy ¡Systems ¡Integra0on ¡

Facility ¡(ESIF) ¡

• Distributed ¡Energy ¡Resources ¡

Test ¡Facility ¡(DERTF) ¡

• NWTC ¡– ¡Grid ¡Integra0on ¡Tes0ng ¡
• Thermal ¡Test ¡Facility ¡(TTF) ¡
• Vehicle ¡Test ¡and ¡Integra0on ¡

Facility ¡(VTIF) ¡

4 ¡

• Sensors and

controls

• Design and

integration

• Modeling

and simulation

• System

integration

Buildings

• H2/electric

interfaces

• RE

electrolyzers

• Storage

systems

• Standards
• Fuel cell

integration

• Fueling

systems

Advanced Fuels Grid Planning and Operations

• Transmission

and Distribution Systems

• Smart Grid

Technologies

• Microgrids
• Standards

Advanced Vehicles

Solar and Wind

ESIF ¡System ¡Integra.on ¡Capabili.es ¡

• RE integration
• Power

electronics

• Building

integration

• Thermal and PV

system

• ptimization
• Plug-in-hybrids

and vehicle-to- grid

• Battery thermal

management

• Power

electronics

Energy Storage

• CSP Thermal

Storage

• Utility scale

batteries

• Distributed

storage.

Full ¡systems ¡interface ¡evalua.on ¡for ¡integra.on ¡of ¡electricity, ¡fuels, ¡ thermal, ¡storage, ¡and ¡end-­‑use ¡technologies ¡

Energy ¡System ¡Research ¡and ¡Development ¡Across ¡Technologies ¡

5 ¡

• Substantial

completion by the end of 2012

• Space for 200 NREL

staff and research partners

• Focus of the ESIF is

to conduct R&D of integrated energy systems (Electricity, Fuels, Transportation, and Buildings & Campus systems) Addressing ¡the ¡challenges ¡of ¡large-­‑scale ¡ ¡ integra.on ¡of ¡clean ¡energy ¡technologies ¡ into ¡the ¡energy ¡systems ¡infrastructure ¡ ¡

• NREL’s largest R&D facility (182,500 ft2)

(ESIF) NREL’s Energy Systems Integration Facility

6 ¡

A unique national asset for energy systems integration R&D, testing, and analysis.

LABORATORIES HPC DATA CENTER OFFICES

WHOLE ¡BUILDING ¡ENERGY ¡GOAL ¡ 30% ¡BeSer ¡than ¡ASHRAE ¡90.1-­‑2007 ¡

Energy Systems Integration Facility

7 ¡

ESIF ¡Office ¡Area ¡

8 ¡

ESIF ¡High ¡Performance ¡Computer ¡and ¡Data ¡Center ¡

9 ¡

Virtual utility operations center and visualization rooms. Petascale HPC and

data management system in showcase energy efficient data center.

ESIF’s Unique Advanced Capabilities

Interconnectivity to

external field sites for data feeds and model validation.

HPC ¡

10 ¡

ESIF - Energy System Simulated Operations

A ¡Flight ¡Simulator ¡for ¡Energy ¡System ¡Operators ¡ Opera.ons ¡techniques ¡ development ¡for: ¡

• New ¡systems ¡configura0ons ¡
• U0lity ¡or ¡fuel ¡supply ¡curtailments ¡
• High ¡renewables ¡penetra0ons ¡
• Extreme ¡weather ¡events ¡
• High ¡storage ¡penetra0ons ¡
• High ¡demand ¡response ¡

deployment ¡

• Resource ¡forecast ¡integra0on ¡

11 ¡

ESIF ¡Tes.ng ¡Areas ¡

12 ¡

ESIF ¡Laboratories ¡

High ¡Performance ¡Compu.ng, ¡Data ¡ Analysis, ¡and ¡Visualiza.on ¡ 16. ESIF ¡Control ¡Room ¡ 17. Energy ¡Integra0on ¡Visualiza0on ¡ ¡ 18. Secure ¡Data ¡Center ¡ 19. High ¡Performance ¡Compu0ng ¡ Data ¡Center ¡ 20. Insight ¡Center ¡Visualiza0on ¡ 21. Insight ¡Center ¡Collabora0on ¡ ¡ Fuel ¡Systems ¡Laboratories ¡ ¡ 9. Energy ¡Systems ¡Fabrica0on ¡ 10. Manufacturing ¡ 11. Materials ¡Characteriza0on ¡ 12. Electrochemical ¡ Characteriza0on ¡ 13. Energy ¡Systems ¡Sensor ¡ 14. Fuel ¡Cell ¡Development ¡& ¡ Test ¡ 15. Energy ¡Systems ¡High ¡ Pressure ¡Test ¡ Thermal ¡Systems ¡Laboratories ¡ 6. Thermal ¡Storage ¡Process ¡and ¡ Components ¡ 7. Thermal ¡Storage ¡Materials ¡ 8. Op0cal ¡Characteriza0on ¡ Electrical ¡Systems ¡Laboratories ¡ 1. Power ¡Systems ¡Integra0on ¡ 2. Smart ¡Power ¡ 3. Energy ¡Storage ¡ 4. Electrical ¡Characteriza0on ¡ 5. Energy ¡Systems ¡Integra0on ¡

13 ¡

ESIF ¡Research ¡Electrical ¡Distribu.on ¡Bus ¡

14 ¡

ESIF’s Unique Advanced Capabilities

Multiple parallel research

electrical distribution busses (REDB) at MW power level with gird and load simulation.

Flexible interconnection points for electricity,

thermal, and fuels to multiple labs.

REDB ¡

Medium voltage (15kV) microgrid test bed. Extensive selection of existing distributed energy

systems and high power PV and wind simulation.

15 ¡

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)

integrated throughout labs.

ESIF’s Unique Advanced Capabilities

Smart grid testing lab for advanced communications and

control.

• Hardware-in-the-loop simulation capability to test grid

scenarios with high penetration of renewables.

16 ¡

Component and systems testing at MW- scale powers with state-of- the-art electric systems simulation and visualization. Functioning systems with utility system simulations for real-time, real-power evaluation of high penetration deployment scenarios.

Power Hardware- and Systems-in-the-Loop Integrates

HIL I/O Interface

Visualization Interface Load Banks Grid Simulator PV Array

Simulation and Visualization at ESIF Actual hardware at ESIF

Subdevelopment with PV at end of circuit Utility Substation

Inverter is replicated in 100 homes on circuit Actual utility circuit model Unit under test

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¡ ¡ESIF ¡–Outdoor ¡Test ¡Areas ¡ ¡

MV ¡Major ¡Lab ¡Equipment ¡

• 1MVA ¡13.2kV ¡to ¡480 ¡Y-­‑Y ¡

transformers ¡

• Connec0ons ¡to ¡REDB, ¡U0lity ¡

LV ¡Major ¡Lab ¡Equipment ¡

• 80kW ¡and ¡125kW ¡Gensets ¡
• 100kW, ¡250kW ¡load ¡banks ¡
• Capstone ¡Microturbine ¡
• Connec0ons ¡to ¡REDB ¡

¡

LV ¡Outdoor ¡Test ¡ Area ¡ 100kW ¡PV ¡Roodop ¡ Test ¡Area ¡ MV ¡Outdoor ¡ Test ¡Area ¡ H2 ¡Storage, ¡ Compression, ¡Fueling ¡ ESIL ¡Major ¡Lab ¡Equipment ¡

• H2 ¡storage ¡vessels ¡
• H2 ¡IC ¡engine ¡tes0ng ¡
• H2 ¡Vehicle ¡fueling ¡sta0on ¡

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Distributed Energy Resources Test Facility (DERTF)

DC ¡Bus ¡– ¡Allows ¡up ¡to ¡10 ¡DC ¡device ¡ (BaSery, ¡PV) ¡connec0ons ¡ AC ¡Bus ¡(3Phase, ¡480V, ¡400A ¡rated) ¡– ¡Allows ¡up ¡to ¡ 15 ¡AC ¡device ¡(inverters, ¡microturbine, ¡ ¡generators) ¡ connec0ons ¡ Switch ¡Panel ¡– ¡Computer ¡

• controlled. ¡Allows ¡tester ¡to ¡easily ¡

configure ¡systems. ¡Ability ¡to ¡run ¡3 ¡ independent ¡systems ¡

• simultaneously. ¡

19 ¡

• NREL also conducts testing for the

development and validation of test

• procedures. This activity includes

working with IEEE and UL.

• The tests that can be conducted

included validation of tests from IEEE 1547.1 “Standard for Conformance Test

Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems”.

–

• ver/under voltage and frequency

– loss of synchronism – limits for DC injection – Harmonics – surge capability – islanding – response to faults

NREL ¡DER ¡Test ¡Facility ¡

IEEE ¡1547.1 ¡and ¡UL ¡1741 ¡Tes0ng ¡

20 ¡

MicroGrid ¡Tes.ng ¡with ¡SMUD ¡

• Sacramento Municipal

Utility District (SMUD) is installing a microgrid at their headquarters

• NREL completed testing
• f newly developed

microgrid switch technology from Cyberex and two 100kW Tecogen CHPs with inverter/droop control

• NREL power testing of

microgrid configurations reduces risk of

• perational performance

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NREL ¡Distributed ¡Energy ¡Resources ¡Test ¡Facility ¡

DC ¡Busses, ¡600 ¡V, ¡400 ¡A ¡(3) ¡ DC ¡Device ¡Connec0ons ¡(10) ¡ 3-­‑phase ¡AC ¡Busses, ¡600 ¡V, ¡400 ¡A ¡(3) ¡ 3-­‑phase ¡AC ¡Device ¡Connec0ons ¡(15) ¡ 3-­‑phase, ¡4-­‑wire ¡Grid ¡Simulator ¡ 200 ¡kW ¡/ ¡250 ¡kVA ¡ 3-­‑phase ¡AC ¡load ¡banks ¡ RLC:162 ¡kW ¡/ ¡405 ¡kVAR ¡RL: 100 ¡kW ¡/ ¡173 ¡kVAR ¡

22 ¡

Installa.on ¡at ¡the ¡NREL ¡DERTF ¡

Air ¡Handling ¡Units ¡ (2) ¡X ¡120 ¡ton ¡for ¡engine ¡ (2) ¡X ¡50 ¡ton ¡for ¡generator/PE ¡ Tecogen ¡CHP ¡modules ¡(2) ¡

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NWTC ¡– ¡Grid ¡Integra.on ¡Tes.ng ¡

24 ¡

Energy Systems Integration – Large-scale A ¡New ¡Unique ¡Tes.ng ¡Capability ¡

NWTC Grid Integration Capabilities will allow testing of many grid integration aspects for multi-MW utility-scale variable renewable generation and storage technologies.

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Thermal ¡Test ¡Facility ¡(TTF) ¡

TTF ¡is ¡a ¡flexible ¡mul.-­‑purpose ¡ laboratory ¡facility ¡focused ¡on ¡ thermal ¡energy ¡processes, ¡ thermal ¡handling ¡equipment, ¡and ¡ energy ¡management. ¡

• Automated ¡Home ¡Energy ¡

Management ¡Lab ¡provides ¡flexible ¡ test ¡bed ¡for ¡device, ¡whole-­‑home, ¡ and ¡grid-­‑level ¡strategies ¡

• Advanced ¡HVAC ¡Lab ¡enables ¡rapid, ¡

accurate ¡and ¡robust ¡measurement ¡

• f ¡space ¡condi0oning ¡performance, ¡

from ¡bath ¡fan ¡to ¡10-­‑ton ¡RTU ¡

• Energy ¡Storage ¡Lab ¡is ¡home ¡to ¡

world’s ¡most ¡accurate ¡baSery ¡ calorimeters ¡of ¡their ¡kind, ¡ ¡ ¡ ¡ thermal ¡imaging, ¡and ¡ environmental ¡chambers, ¡ ¡ ¡with ¡ controlled ¡duty ¡cycling ¡at ¡every ¡ step ¡

• Solar ¡Hot ¡Water ¡Evalua0on ¡

integrates ¡with ¡the ¡ ¡Hot ¡Water ¡ Systems ¡Lab ¡ ¡

26 ¡

TTF ¡-­‑ ¡Labs ¡

Automated ¡Home ¡Energy ¡ Management ¡Laboratory ¡ Energy ¡Storage ¡Laboratory ¡

• Fully ¡instrumented ¡electrical ¡system, ¡from ¡smart ¡meter ¡to ¡

every ¡plug, ¡light, ¡and ¡hardwired ¡component ¡

• 3.2 ¡kW ¡photovoltaic ¡(PV) ¡array ¡
• Complete ¡suite ¡of ¡residen.al ¡appliances ¡and ¡end ¡use ¡loads ¡
• High ¡frequency ¡spectrum ¡analyzer ¡to ¡study ¡electrical ¡noise ¡
• Mul.ple ¡communica.on ¡protocols ¡are ¡supported ¡
• Linked ¡to ¡ESIF ¡
• The ¡world’s ¡most ¡accurate ¡baaery ¡calorimeters ¡
• Five ¡environmental ¡chambers ¡and ¡isothermal ¡baths ¡to ¡

perform ¡accelerated ¡life.me ¡and ¡duty ¡cycle ¡tes.ng ¡across ¡a ¡ wide ¡thermal ¡range ¡

• Thermal ¡imaging ¡to ¡inspect ¡for ¡hot ¡spots ¡in ¡cells ¡and ¡

baaery ¡packages ¡during ¡charge ¡and ¡discharge ¡cycles ¡

• Bitrode ¡cyclers ¡for ¡baaery ¡and ¡ultracapacitor ¡pack ¡cycling ¡

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TTF ¡-­‑ ¡Labs ¡

HVAC ¡Laboratory ¡ Hot ¡Water ¡Laboratory ¡

• Solid ¡and ¡liquid ¡desiccant ¡dehumidifica.on, ¡cooling, ¡and ¡

energy ¡storage ¡

• Evapora.ve ¡cooling ¡of ¡all ¡types ¡
• HVAC ¡product ¡and ¡prototype ¡performance ¡characteriza.on ¡

and ¡performance ¡mapping ¡

• Quan.fying ¡the ¡benefits ¡of, ¡and ¡strategies ¡for, ¡enhanced ¡

ven.la.on ¡and ¡humidity ¡control ¡

• Rapid ¡tes.ng ¡across ¡a ¡wide ¡range ¡of ¡temperature, ¡

humidity, ¡al.tude ¡adjustment, ¡flow ¡and ¡capacity ¡ ¡ ¡

• Pprovides ¡a ¡suite ¡of ¡evalua.on ¡capabili.es ¡for ¡a ¡wide ¡

variety ¡of ¡hot ¡water ¡components ¡and ¡assemblies. ¡ ¡Natural ¡ gas ¡heaters ¡from ¡tankless ¡to ¡small ¡boilers, ¡on-­‑demand ¡ electric ¡to ¡large ¡heat ¡pump ¡water ¡heaters, ¡and ¡detailed ¡ distribu.on ¡and ¡draw ¡profile ¡simula.on. ¡ ¡

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Vehic ehicle le Tes esting ing and and Int ntegration ion Facilit acility (VTIF) F)

29 ¡

• 2 ¡AC ¡and ¡2 ¡DC ¡bus ¡lines ¡with ¡configurable ¡component ¡connec0ons ¡
• 2 ¡fast ¡charge ¡system ¡connec0ons ¡(1 ¡indoor/1 ¡outdoor) ¡
• 8 ¡level ¡II ¡charge ¡sta0ons ¡(includes ¡wireless, ¡high ¡power ¡for ¡MD/HD ¡

vehicles, ¡mul0-­‑headed, ¡…) ¡

• 20kW ¡of ¡PV ¡as ¡fuel ¡sta0on ¡canopy ¡(dual ¡axis ¡tracking) ¡

VTIF ¡Capabili.es ¡ ¡

• 30kWh, 30kW energy storage
• Able to configure as microgrid
• Commercial partners on Smart

Grid controls system

• 24 expansion ports for new

components

• Power supplies to emulate wind,

solar, vehicle, or storage

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CNG fueling (future) H2 fueling (future) PEV fueling

18kW Solar Canopy 4 pull through vehicle spots 2 port 50kW fast charger 4 L2 charge ports 4 vehicle instrumentation bays 2500 sqft high bay area Electronics fabrication shop 1 50kW fast charger Power supplies, load bank, programmable energy storage Smart grid/vehicles interface 100x100 ft parking pad 6 sites for vehicle cabin climate control experiments Weather station AC and DC bus lines to interconnect solar, vehicles, energy storage, smart grid controls, and emulated renewables 24 expansion ports accommodate future components

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NWTC ¡– ¡2MW+ ¡

NREL’s Energy Systems Integration Facilities

ESIF ¡ ¡ 1kW-­‑2MW ¡ DERTF ¡ 1kW-­‑200kW ¡

NREL ¡ESI ¡-­‑ ¡A ¡unique ¡na.onal ¡asset ¡for ¡energy ¡ systems ¡integra.on ¡R&D, ¡tes.ng, ¡and ¡analysis ¡ at ¡various ¡scales ¡

TTF ¡ VTIF ¡

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For ¡More ¡informa.on ¡on ¡NREL ¡Energy ¡Systems ¡ Integra.on ¡facili.es ¡

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• Energy ¡Systems ¡Integra0on ¡Facility ¡(ESIF) ¡

– hSp://www.nrel.gov/eis/facili0es_esif.html ¡

• Distributed ¡Energy ¡Resources ¡Test ¡Facility ¡(DERTF) ¡

– hSp://www.nrel.gov/eis/facili0es_derl.html ¡

¡

• NWTC ¡– ¡Grid ¡Integra0on ¡Tes0ng ¡

– hSp://www.nrel.gov/wind/facili0es.html ¡

¡

• Thermal ¡Test ¡Facility ¡(TTF) ¡

– hSp://www.nrel.gov/buildings/facili0es.html ¡

• Vehicle ¡Test ¡and ¡Integra0on ¡Facility ¡(VTIF) ¡

– hSp://www.nrel.gov/docs/fy12os0/53297.pdf ¡