Venti anni fa, l'energia eolica era per lo più un'industria di nicchia che ha contribuito per meno dell'1% alla domanda totale di elettricità negli Stati Uniti. Da allora Wind è emerso come un serio contendente nella corsa allo sviluppo pulito, fonti di energia rinnovabile in grado di sostenere la rete e soddisfare la domanda globale di energia in continua crescita. L'anno scorso, l'energia eolica ha fornito il 7% della domanda nazionale di elettricità, e in tutto il paese, sia a terra che in mare aperto, le compagnie energetiche hanno installato turbine giganti che raggiungono livelli più alti e più larghi che mai.

"L'energia eolica sarà una componente davvero importante della produzione di energia, ", ha affermato l'ingegnere Jonathan Naughton dell'Università del Wyoming, a Laramie. Ha riconosciuto che gli scettici dubitano della fattibilità delle fonti di energia rinnovabile come l'eolico e il solare perché sono dipendenti dal tempo e di natura variabile, e quindi difficile da controllare e prevedere. "È vero, " Egli ha detto, "ma ci sono modi per superarlo."

Naughton e Charles Meneveau alla Johns Hopkins University di Baltimora, Maryland, ha organizzato un mini-simposio al 73° incontro annuale della divisione di dinamica dei fluidi dell'American Physical Society, dove i ricercatori hanno descritto le promesse e le sfide della fluidodinamica dell'energia eolica.

Affinché l'energia eolica sia utile e accettata, i ricercatori devono progettare sistemi che siano sia efficienti che economici, ha detto Naughton. Ciò significa acquisire una migliore comprensione dei fenomeni fisici che governano le turbine eoliche, a tutte le scale. Tre anni fa, il National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha riunito 70 esperti da tutto il mondo per discutere lo stato della scienza. Nel 2019, il gruppo ha pubblicato grandi sfide scientifiche che devono essere affrontate affinché l'energia eolica contribuisca fino alla metà della domanda di energia.

Una di queste sfide era comprendere meglio la fisica della parte dell'atmosfera in cui operano le turbine. "Il vento è davvero un problema di fluidodinamica atmosferica, " ha detto Naughton. "Ma come si comporta il vento ai livelli in cui operano le turbine è ancora un'area in cui abbiamo bisogno di maggiori informazioni".

Le turbine odierne hanno pale che possono allungarsi da 50 a 70 metri, ha detto Paul Veers, Ingegnere capo presso il National Wind Technology Center di NREL, che ha fornito una panoramica delle sfide durante il simposio. Queste torri svettano a 100 metri o più sui loro dintorni. "Al largo, stanno diventando ancora più grandi, " ha detto Veers.

Il vantaggio di costruire turbine più grandi è che un impianto eolico avrebbe bisogno di meno macchine per costruire e mantenere e per accedere ai potenti venti alti dal suolo. Ma le centrali elettriche giganti funzionano su una scala che non è stata ben studiata, disse Veers.

"Abbiamo un'ottima capacità di comprendere e lavorare con l'atmosfera su larga scala, " ha detto Veers. "E scienziati come Jonathan e Charles hanno fatto lavori sorprendenti con la fluidodinamica per comprendere le piccole scale. Ma tra questi due c'è un'area che non è stata studiata molto".

Un'altra sfida sarà studiare le dinamiche strutturali e di sistema di queste gigantesche macchine rotanti. I venti interagiscono con le pale, che si piegano e si torcono. Le lame rotanti danno luogo ad alti numeri di Reynolds, "e quelle sono aree in cui non abbiamo molte informazioni, " disse Naughton.

Potenti approcci computazionali possono aiutare a rivelare la fisica, disse Veers. "Stiamo davvero spingendo i metodi computazionali il più lontano possibile, " ha detto. "Ci sta portando ai computer più veloci e più grandi che esistono in questo momento".

Una terza sfida, Naughton ha notato, consiste nello studiare il comportamento di gruppi di turbine. Ogni turbina produce una scia nell'atmosfera, e mentre quella scia si propaga a valle interagisce con le scie di altre turbine. I risvegli possono combinarsi; possono anche interferire con altre turbine. O qualsiasi altra cosa in zona. "Se ci sono terreni agricoli sottovento, non sappiamo come lo influenzerà il cambiamento del flusso atmosferico, " disse Naughton.

Ha chiamato l'energia eolica il "problema su scala estrema". Perché collega problemi su piccola scala come le interazioni delle turbine con l'aria a problemi su scala gigante come la modellazione atmosferica, l'energia eolica richiederà competenze e input da una varietà di settori per affrontare le sfide. "Il vento è tra le forme di energia più economiche, " disse Naughton. "Ma man mano che la tecnologia matura, le domande si fanno più difficili".