Energy Systems Integration

Dr. Bryan Hannegany gAssociate Laboratory Director

June 2015

NREL is a national laboratory of the U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, operated by the Alliance for Sustainable Energy, LLC.

Today’s U.S. Energy System

22

What is Energy System Integration?

Energy system integration (ESI) = the process of optimizing energy systems across multiple pathways and scalessystems across multiple pathways and scales

Electricity

Thermal

FuelFuel

Data

3

Why Energy Systems Integration?

Existing energy systems have served us well… but a clean energy future needs a modernized and integrated infrastructure.g

DisruptionsDisruptions

Renewables

E t E t N U

4

Extreme Events New Uses

The Revolution is … Coming Now

5

Today’s Electricity Grid

Generation CustomerDelivery

6

Source: EPRI, 2009

Tomorrow’s Power System

Generation ProsumerDelivery

7

Source: EPRI, 2009

Future Energy System Architecture

8

U.S. Grid Modernization Initiative

An aggressive grid modernization

OtherOtherGov’tGov’t

An aggressive grid modernization strategy for the Department of Energy that includes NENE

Gov tGov t• Alignment of the existing base 

activities among the Offices• An integrated Multi Year EPSAEPSA

OEOES1S1

SCSC

• An integrated Multi‐Year Program Plan (MYPP)

• New activities to fill major gaps  FEFE EEREEERE CFOCFO ARPAARPA‐‐EEj g p

in existing base • Development of a laboratory  TechnologyTechnology

StakeholdersStakeholdersInstitutionalInstitutionalconsortium with core scientific abilities and regional outreach

StakeholdersStakeholdersInstitutionalInstitutionalStakeholdersStakeholders

9

Foundational R&D Areas

• Establish common test procedures and inter‐operability standards for devices that can provide valuable grid services alone and/or in combination

• Establish common test procedures and inter‐operability standards for devices that can provide valuable grid services alone and/or in combination

Devices and Integrated Systems valuable grid services alone and/or in combinationvaluable grid services alone and/or in combinationy

• Visualization tools that enable complete visibility of generation, loads and grid dynamics across the electric 

t

• Visualization tools that enable complete visibility of generation, loads and grid dynamics across the electric 

t

Sensing and Measurements systemsystemMeasurements

• Develop advanced real‐time control technologies to enhance the reliability and asset utilization of T&D 

• Develop advanced real‐time control technologies to enhance the reliability and asset utilization of T&D System Operations and 

Power Flow systemssystemsPower Flow

• Create grid planning tools that integrate transmission and distribution and system dynamics over a variety of 

• Create grid planning tools that integrate transmission and distribution and system dynamics over a variety of Design and Planning Toolstime and spatial scalestime and spatial scales

g g

• Develop advanced security (cyber and physical) solutions and real‐time incident response capabilities 

• Develop advanced security (cyber and physical) solutions and real‐time incident response capabilities Security and Resilience p pfor emerging technologies and systems

p pfor emerging technologies and systems

Security and Resilience

• Provide tools and data that enable more informed decisions and reduce risks on key issues that influence

• Provide tools and data that enable more informed decisions and reduce risks on key issues that influenceInstitutional Support

1010

decisions and reduce risks on key issues that influence the future of the electric grid/power sectordecisions and reduce risks on key issues that influence the future of the electric grid/power sector

Institutional Support

Grid Modernization Laboratory Consortium

S iSensing and 

Measurement

Security and 

Resilience

1111

Grid Integration Facility Network

INLSCADA / C b T B d

NREL• Energy Systems Integration Facility (ESIF)

N ti l Wi d T h l C t (NWTC)ANL

S t G id T t L b• SCADA / Cyber Test Bed• Energy Systems Laboratory

• National Wind Technology Center (NWTC) • Smart Grid Test Lab

ORNLPNNL

• EIOC• NW Smart Grid

ORNL• DECC

Clemson• 15 MW Grid simulator

FSU/CAPS

LBNL SNL Connected

FSU/CAPS• 5 MW Grid simulator

12

• FlexLab • DETL• SCADA Test Bed PlannedSDG&E

• ITF

Energy Systems Integration Facility (ESIF)

OfficesHPC DCLaboratories OfficesHPC ‐ DCLaboratories• NREL’s largest R&D facility  

(182,500 ft2 /20,000 m2) • Space for ~200 NREL staff Space for  200 NREL staff 

and research partners• Petascale HPC and Data 

Center supports all research t NREL

Addressing the challenges of large‐scale integration of clean 

at NREL• Labs focus on R&D of 

integrated energy systems • Electricity

energy technologies into the energy systems infrastructure http://www.nrel.gov/esif

y• Fuels• Transportation• Buildings & Campus 

I t t d l t i l• Integrated electrical, thermal, fuel, and data infrastructure

“This new facility will allow for an even stronger partnership with manufacturers, utilities and researchers to help integrate more clean, renewable energy into a smarter, more reliable and more resilient power grid ” ‐ Energy Secretary Ernest Moniz

13

power grid.                                         Energy Secretary Ernest Moniz

“Smart Home” ExampleLegend:

PowerCommMarket Simulator Market Comm

Home 

System DataMarket Simulator

TCP/IP Experiment Data

Experiment  System 

Market

GridLab‐D

ZigBee or MODBUS

EMSDAS Control

Communications, Information and

HPC

Dist sim

Local Control

Local Control

Local Control

Local Control

Local Control

Information, and Computation/ DC

Device:Fridge

Device: Water Heater

Device:PV 

Inverter

Device:EV

Grid Sim

Devices

14

Local Electrical connection in SPL ‐ 240V, 1ph

14

ESIF Smart Power Lab

Hardwired PVHardwired PV Distribution Distribution 

EV, EVSEs, & EV, EVSEs, & 

TransformersTransformersHome EMS

battery storagebattery storage

Thermal Energy Thermal Energy StorageStorage

i li l

Major Major AppliancesAppliances

Hot Water use underHot Water use under

15

Environmental Environmental Chambers for realistic Chambers for realistic HVAC loadingHVAC loading

Hot Water use under Hot Water use under simulated occupancysimulated occupancy

Grid Integration Capabilities at ESIFSmart Power LabBuildings & Loads

Rooftop PV & Wind Energy Storage LabResidential, Community& Grid Battery Storage,Flywheels & ThermalFlywheels & Thermal

HPC & Data Center

Power SystemsIntegration Lab

Energy SystemsIntegration LabFuel Cells, Electrolyzers

Integration LabGrid SimulatorsMicrogridsOutdoor Test Areas

EVs, Power TransformersAuxiliary Control 

Roomb d

16

ADMS Testbed

Grid Integration Capabilities at NWTC

17

2020 Goal: Establish ~10 MW scale integration capability at at NWTC

Modeling and Simulation at ESIF

Network graph from TDS hub

C i i d S b 2013Commissioned September 20131.2 PFlop peak performanceWorld leading PUE < 1 06

18 18

World‐leading PUE < 1.06

A Design Process for Clean Energy

Hardware Testing Modeling & Simulation Field Deployment

PV Simulator

Devices Under Test(e.g. inverter, energy

Utility Substation

Load Banks

(e.g. inverter, energy storage, EV, loads)

Grid SimulatorLoad Banks Grid SimulatorSubdivision with PV at end of circuit

C ti L i d I t

19

Continuous Learning and Improvement

Our Vision

Reliable, affordable and clean energy systems adopted at a pace and scale to meet global energy and environmental objectives. g gy j

1GWsCity

100MWsCommunity

10MWsCampus

20301MWs

Island, Village

2020

2025

20

2020

Today

A Global Effort

VisionA global community of scholars and practitioners from leading institutes

Objectives• Share ESI knowledge and Experience• Coordination of R&D activities• Education and Training Resourcespractitioners from leading institutes 

engaged in efforts to enable highly integrated, flexible, clean, and 

efficient energy systems

• Education and Training ResourcesRecent Activities• Sept ’14 Meeting w/IEA at NREL, USA• Mar ‘15 Workshop Imperial College UK

E S 101 KU L B l i• Energy Systems 101 KU Leuven Belgium

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For More Information

Bryan HanneganAssociate Lab Director, Energy Systems IntegrationNational Renewable Energy LaboratoryMail Stop RSF 050, 15013 Denver West ParkwayGolden, CO 80401 USA+1‐303‐275‐3009 (phone)bryan.hannegan@nrel.gov (email)http://www.nrel.gov/esi

Energy Systems Integration Accelerating the Clean Energy Future

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