L'energia eolica è aumentata in tutto il mondo nel 2019, ma resisterà? Più di 340, 000 turbine eoliche hanno generato oltre 591 gigawatt a livello globale. Negli Stati Uniti., il vento ha alimentato l'equivalente di 32 milioni di case e ha sostenuto 500 fabbriche statunitensi. Cosa c'è di più, nel 2019 l'energia eolica è cresciuta del 19 per cento, grazie al boom di progetti offshore e onshore negli Stati Uniti e in Cina.

Uno studio dei ricercatori della Cornell University ha utilizzato i supercomputer per esaminare il futuro di come fare un salto ancora più grande nella capacità di energia eolica negli Stati Uniti.

"Questa ricerca è il primo studio dettagliato progettato per sviluppare scenari su come l'energia eolica può espandersi dagli attuali livelli del 7% della fornitura di elettricità degli Stati Uniti per raggiungere l'obiettivo del 20% entro il 2030 delineato dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. ) nel 2014, ", ha affermato la coautrice dello studio Sara C. Pryor, professore presso il Dipartimento di Studi della Terra e dell'Atmosfera, Università Cornell. Pryor e co-autori hanno pubblicato lo studio sull'energia eolica su Nature Rapporti scientifici , febbraio 2020.

Lo studio Cornell ha studiato scenari plausibili su come ottenere l'espansione della capacità installata delle turbine eoliche senza l'utilizzo di ulteriore terreno. I loro risultati hanno mostrato che gli Stati Uniti potrebbero raddoppiare o addirittura quadruplicare la capacità installata con pochi cambiamenti nell'efficienza dell'intero sistema. Cosa c'è di più, la capacità aggiuntiva avrebbe un impatto molto limitato sul clima locale. Ciò si ottiene in parte implementando la prossima generazione, turbine eoliche più grandi.

Lo studio si è concentrato su una potenziale trappola se l'aggiunta di più turbine in una determinata area potesse ridurne la produzione o addirittura alterare il clima locale, un fenomeno causato dalle cosiddette "scie di turbine eoliche". Come la scia dell'acqua dietro un motoscafo, le turbine eoliche creano una scia più lenta, aria increspata che alla fine si diffonde e riprende il suo slancio.

"Questo effetto è stato oggetto di un'ampia modellazione da parte dell'industria per molti anni, ed è ancora una dinamica molto complessa da modellare, " Ha detto Pryor.

I ricercatori hanno condotto simulazioni con il modello WRF (Weather Research Forecasting) ampiamente utilizzato, sviluppato dal Centro nazionale per la ricerca atmosferica. Hanno applicato il modello sulla parte orientale degli Stati Uniti, dove si trova la metà dell'attuale capacità eolica nazionale.

"Abbiamo poi trovato le posizioni di tutti e 18, 200 turbine eoliche che operano negli Stati Uniti orientali insieme al loro tipo di turbina, " Ha detto Pryor. Ha aggiunto che quelle posizioni provengono dai dati del 2014, quando è stato pubblicato lo studio NREL.

"Per ogni turbina eolica in questa regione, abbiamo determinato le loro dimensioni fisiche (altezza), potenza, e curve di spinta in modo che per ogni periodo di simulazione di 10 minuti possiamo utilizzare una parametrizzazione di un parco eolico all'interno di WRF per calcolare quanta potenza genererebbe ciascuna turbina e quanto ampia sarebbe la loro scia, " ha detto. Potenza e scia sono entrambe una funzione della velocità del vento che colpisce le turbine e di quale sarebbe l'impatto climatico locale vicino alla superficie. Hanno condotto le simulazioni con una risoluzione di rete di 4 km per 4 km al fine di fornire dettagli informazioni locali.

Gli autori hanno scelto due serie di anni di simulazione perché le risorse eoliche variano di anno in anno a causa della variabilità naturale del clima. "Le nostre simulazioni sono condotte per un anno con velocità del vento relativamente elevate (2008) e uno con velocità del vento inferiori (2015/16), "Pryor ha detto, a causa della variabilità interannuale del clima dall'Oscillazione El Nino-Sud. "Abbiamo eseguito simulazioni per un caso base in entrambi gli anni senza la presenza/azione di turbine eoliche, quindi possiamo usare questo come riferimento rispetto al quale descrivere l'impatto delle turbine eoliche sui climi locali, " Ha detto Pryor.

Le simulazioni sono state poi ripetute per una flotta di turbine eoliche a partire dal 2014, quindi per capacità installata raddoppiata e capacità installata quadruplicata, che rappresenta la capacità necessaria per raggiungere il 20 per cento della fornitura di energia elettrica da turbine eoliche nel 2030.

"Utilizzando questi tre scenari possiamo valutare quanta potenza verrebbe generata da ciascuna situazione e quindi se la produzione di energia elettrica è linearmente proporzionale alla potenza installata o se a livelli di penetrazione molto elevati la perdita di produzione dovuta alle scie inizia a diminuire l'efficienza, " Ha detto Pryor.

Queste simulazioni sono estremamente impegnative dal punto di vista computazionale. Il dominio di simulazione è superiore a 675 per 657 celle della griglia in orizzontale e 41 strati in verticale. "Tutte le nostre simulazioni sono state eseguite nella risorsa computazionale del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Dipartimento dell'energia nota come Cori. Le simulazioni presentate nel nostro documento hanno consumato oltre 500, 000 ore di CPU su Cori e ha richiesto più di un anno solare per essere completato su NERSC Cray. Quella risorsa è progettata per l'elaborazione massicciamente parallela ma non per l'analisi dell'output della simulazione risultante, " Ha detto Pryor.

"Così, tutte le nostre analisi sono state eseguite sulla risorsa Jetstream XSEDE utilizzando l'elaborazione parallela e l'analisi dei big data in MATLAB, " ha aggiunto Pryor. The Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), assegna le risorse e le competenze dei supercomputer ai ricercatori ed è finanziato dalla National Science Foundation (NSF).

L'ambiente cloud Jetstream, finanziato da NSF, è supportato dall'Indiana University, l'Università dell'Arizona, e il Texas Advanced Computing Center (TACC). Jetstream è una risorsa di elaborazione configurabile su larga scala che sfrutta la tecnologia delle macchine virtuali sia on-demand che persistenti per supportare una gamma molto più ampia di ambienti software e servizi rispetto alle attuali risorse NSF.

"Il nostro lavoro non ha precedenti nel livello di dettaglio nelle descrizioni delle turbine eoliche, l'uso di proiezioni autoconsistenti per una maggiore capacità installata, dimensione del dominio di studio, e la durata delle simulazioni, " disse Pryor. Tuttavia, ha riconosciuto che l'incertezza è il modo migliore per parametrizzare l'azione delle turbine eoliche sull'atmosfera e in particolare il recupero delle scie a valle.

Il team sta attualmente lavorando su come progettare, test, sviluppare, e migliorare le parametrizzazioni dei parchi eolici per l'uso in WRF. Il team di Cornell ha recentemente pubblicato una pubblicazione su questo argomento nel Journal of Applied Meteorology and Climatology in cui tutte le analisi sono state eseguite su risorse XSEDE (questa volta su Wrangler, un sistema TACC) e hanno richiesto ulteriori risorse XSEDE per far avanzare ulteriormente tale ricerca.

L'energia eolica potrebbe svolgere un ruolo più importante nella riduzione delle emissioni di anidride carbonica derivanti dalla produzione di energia, secondo gli autori dello studio. Le turbine eoliche ripagano le emissioni di carbonio nel corso della loro vita associate alla loro implementazione e fabbricazione in tre-sette mesi di funzionamento. Ciò equivale a quasi 30 anni di produzione di elettricità praticamente priva di emissioni di carbonio.

"Our work is designed to inform the expansion of this industry and ensure it's done in a way that maximizes the energy output from wind and thus continues the trend towards lower cost of energy from wind. This will benefit commercial and domestic electricity users by ensuring continued low electricity prices while helping to reduce global climate change by shifting toward a low-carbon energy supply, " Pryor said.

Said Pryor:"Energy systems are complex, and the atmospheric drivers of wind energy resources vary across time scales from seconds to decades. To fully understand where best to place wind turbines, and which wind turbines to deploy requires long-duration, high-fidelity, and high-resolution numerical simulations on high performance computing systems. Making better calculations of the wind resource at locations across the U.S. can ensure better decision making and a better, more robust energy supply."