I ricercatori dell'energia eolica del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti fanno parte di un team di autori che invitano la comunità scientifica ad affrontare tre sfide che guideranno l'innovazione necessaria affinché il vento diventi una delle principali fonti mondiali di energia a basso costo generazione di elettricità.

Il loro invito all'azione è apparso in un nuovo articolo di giornale pubblicato su Scienza .

"La gente pensa che poiché le turbine eoliche hanno funzionato per decenni, non ci sono margini di miglioramento. E ancora, c'è molto di più da fare, " ha affermato Paul Veers, ricercatore NREL e coautore dell'articolo. "L'energia eolica ha il potenziale per essere una fonte primaria di energia a basso costo per il mondo, ma non ci arriveremo con la solita traiettoria. Abbiamo bisogno che scienziati e ricercatori di tutto il mondo si uniscano a noi nell'affrontare le sfide della ricerca del vento".

Nell'autunno 2017, NREL ha convocato più di 70 esperti di vento in rappresentanza di 15 paesi per discutere di un futuro sistema elettrico in cui il vento potrebbe soddisfare la domanda globale di energia pulita. Sulla base di questo workshop, gli autori principali dell'articolo Veers, Eric Lantz, responsabile della ricerca del gruppo NREL, e Katherine Dykes dell'Università tecnica della Danimarca hanno identificato tre "grandi sfide" nella ricerca sull'energia eolica che richiedono ulteriori progressi da parte della comunità scientifica.

Prima grande sfida:migliore comprensione della risorsa eolica e del flusso nella regione dell'atmosfera in cui operano gli impianti eolici.

Poiché le turbine eoliche aumentano di altezza per catturare una maggiore risorsa energetica e gli impianti eolici si estendono su distanze maggiori, abbiamo bisogno di capire la dinamica del vento a queste altezze e scale. L'uso passato di modelli fisici semplificati e tecnologia di osservazione di base ha consentito l'installazione di centrali eoliche e previsioni delle prestazioni in una varietà di tipi di terreno. Ma esistono grandi lacune nella nostra conoscenza dei flussi del vento in terreni complessi o in condizioni di stabilità atmosferica variabili. La sfida è modellare queste diverse condizioni in modo che l'impianto eolico possa essere ottimizzato, conveniente, e controllabile e installato nella posizione giusta.

Seconda grande sfida:affrontare le dinamiche strutturali e di sistema delle più grandi macchine rotanti del mondo.

Le turbine eoliche sono ora le più grandi flessibili, macchine rotanti nel mondo, con lama di lunghezza superiore a 80 metri e torri che si elevano ben oltre i 100 metri. Per mettere questo in prospettiva, tre dei più grandi velivoli passeggeri, gli Airbus A380-800, potrebbero adattarsi naso a naso all'interno dell'area spazzata di un rotore di una turbina eolica. Man mano che le macchine continuano a diventare più grandi, sono necessari nuovi materiali e processi produttivi per affrontare i problemi emergenti di scalabilità, trasporto, e riciclaggio. Inoltre, l'intersezione tra turbina e dinamica atmosferica solleva diversi importanti quesiti di ricerca. Molte delle ipotesi semplificative su cui sono state progettate le generazioni precedenti di turbine eoliche non sono più applicabili. La sfida non sta solo nel capire l'atmosfera, ma anche nel decifrare quali fattori sono critici sia per l'efficienza della generazione di energia che per la sicurezza strutturale.

Terza grande sfida:progettare e gestire impianti eolici per supportare e promuovere l'affidabilità e la resilienza della rete.

Le forti penetrazioni eoliche e solari cambieranno drasticamente le reti elettriche del futuro. Il vento può fornire servizi di rete essenziali, come il controllo della frequenza, rampante, e regolazione della tensione. Controlli innovativi potrebbero sfruttare gli attributi delle turbine eoliche per ottimizzare la produzione di energia dell'impianto fornendo questi servizi essenziali. Ad esempio, l'utilizzo di tecniche di big data sulle informazioni provenienti da sensori distribuiti su macchine intorno all'impianto potrebbe migliorare la cattura di energia, ridurre il costo, e ottimizzare le operazioni per soddisfare i requisiti della rete. Il percorso per realizzare questo futuro richiederà una ricerca sostanziale alle intersezioni della modellazione del flusso atmosferico, dinamica delle singole turbine, e controllo dell'impianto eolico con il funzionamento del sistema elettrico più grande.

Queste grandi sfide della ricerca sul vento si basano l'una sull'altra. Caratterizzare la zona operativa dell'impianto eolico nell'atmosfera sarà essenziale per fare progressi nella progettazione della prossima generazione di turbine eoliche a basso costo ancora più grandi. Comprendere sia il controllo dinamico delle macchine che la previsione della natura dell'afflusso atmosferico consentirà il controllo dell'impianto necessario per il supporto della rete.

"Affrontare queste sfide adottando un approccio interdisciplinare alla scienza e all'ingegneria dell'energia eolica porterà a soluzioni che faranno avanzare lo stato dell'arte nella produzione di energia degli impianti eolici, " ha affermato il direttore del laboratorio associato NREL per le scienze dell'ingegneria meccanica e termica e coautore dell'articolo Johney Green. "Questo approccio fornisce anche le soluzioni integrate necessarie per far progredire l'intero sistema, dalla turbina all'impianto alla rete elettrica complessiva, per renderci pronti per il sistema energetico del futuro".