Credito:Pixabay/CC0 di dominio pubblico
Praticamente tutte le turbine eoliche, che producono più del 5 per cento dell'elettricità mondiale, sono controllate come se fossero unità singole e indipendenti. Infatti, la stragrande maggioranza fa parte di impianti eolici più grandi che coinvolgono decine o addirittura centinaia di turbine, le cui scie possono influenzarsi a vicenda.
Ora, gli ingegneri del MIT e altrove hanno scoperto che, senza bisogno di nuovi investimenti in apparecchiature, la produzione di energia di tali impianti eolici può essere aumentata modellando il flusso del vento dell'intera collezione di turbine e ottimizzando il controllo delle singole unità di conseguenza.
L'aumento della produzione di energia da una data installazione può sembrare modesto:è circa l'1,2% in totale e il 3% per velocità del vento ottimali. Ma l'algoritmo può essere implementato in qualsiasi parco eolico e il numero di parchi eolici sta crescendo rapidamente per raggiungere gli obiettivi climatici accelerati. Se quell'aumento di energia dell'1,2% fosse applicato a tutti i parchi eolici esistenti nel mondo, sarebbe l'equivalente di aggiungere più di 3.600 nuove turbine eoliche, o abbastanza per alimentare circa 3 milioni di case, e un guadagno totale per i produttori di energia di quasi un miliardo dollari all'anno, dicono i ricercatori. E tutto questo praticamente a costo zero.
La ricerca è pubblicata oggi sulla rivista Nature Energy, in uno studio condotto dal MIT Esther e Harold E. Edgerton Assistant Professor di ingegneria civile e ambientale Michael F. Howland.
"Essenzialmente tutte le turbine esistenti su scala industriale sono controllate 'avidamente' e in modo indipendente", afferma Howland. Il termine "avidamente", spiega, si riferisce al fatto che sono controllati per massimizzare solo la propria produzione di energia, come se fossero unità isolate senza alcun impatto negativo sulle turbine vicine.
Ma nel mondo reale, le turbine sono deliberatamente ravvicinate nei parchi eolici per ottenere vantaggi economici legati all'uso del suolo (on o offshore) e alle infrastrutture come strade di accesso e linee di trasmissione. Questa vicinanza significa che le turbine sono spesso fortemente influenzate dalle scie turbolente prodotte da altre che si trovano sopravvento rispetto ad esse, un fattore che attualmente i singoli sistemi di controllo delle turbine non prendono in considerazione.
"Dal punto di vista della fisica del flusso, mettere insieme le turbine eoliche nei parchi eolici è spesso la cosa peggiore che potresti fare", afferma Howland. "L'approccio ideale per massimizzare la produzione totale di energia sarebbe metterli il più distanti possibile", ma ciò aumenterebbe i costi associati.
È qui che entra in gioco il lavoro di Howland e dei suoi collaboratori. Hanno sviluppato un nuovo modello di flusso che prevede la produzione di energia di ciascuna turbina nella fattoria in base ai venti incidenti nell'atmosfera e alla strategia di controllo di ciascuna turbina. Sebbene sia basato sulla fisica del flusso, il modello apprende dai dati operativi dei parchi eolici per ridurre l'errore predittivo e l'incertezza. Senza modificare nulla delle posizioni fisiche delle turbine e dei sistemi hardware dei parchi eolici esistenti, hanno utilizzato la modellazione basata sulla fisica e assistita dai dati del flusso all'interno del parco eolico e la risultante produzione di energia di ciascuna turbina, date le diverse condizioni del vento, per trovare l'orientamento ottimale per ogni turbina in un dato momento. Ciò consente loro di massimizzare la produzione dell'intera azienda, non solo delle singole turbine.
Oggi, ogni turbina rileva costantemente la direzione e la velocità del vento in arrivo e utilizza il suo software di controllo interno per regolare la posizione dell'angolo di imbardata (asse verticale) per allinearsi il più vicino possibile al vento. Ma nel nuovo sistema, ad esempio, il team ha scoperto che ruotando una turbina leggermente lontano dalla propria posizione di potenza massima, forse a 20 gradi dal suo angolo di potenza di picco individuale, il risultante aumento della potenza erogata da uno o più sottovento le unità compenseranno ampiamente la leggera riduzione della produzione rispetto alla prima unità. Utilizzando un sistema di controllo centralizzato che tiene conto di tutte queste interazioni, la raccolta delle turbine è stata gestita a livelli di potenza che erano fino al 32% superiori in alcune condizioni.
In un esperimento durato mesi in un vero parco eolico su scala industriale in India, il modello predittivo è stato convalidato per la prima volta testando un'ampia gamma di strategie di orientamento dell'imbardata, la maggior parte delle quali intenzionalmente non ottimali. Testando molte strategie di controllo, comprese quelle subottimali, sia nella fattoria reale che nel modello, i ricercatori hanno potuto identificare la vera strategia ottimale. È importante sottolineare che il modello è stato in grado di prevedere la produzione di energia dell'azienda agricola e la strategia di controllo ottimale per la maggior parte delle condizioni del vento testate, dando la certezza che le previsioni del modello avrebbero tracciato la vera strategia operativa ottimale per l'azienda agricola. Ciò consente l'uso del modello per progettare le strategie di controllo ottimali per nuove condizioni di vento e nuovi parchi eolici senza dover eseguire nuovi calcoli da zero.
Quindi, un secondo esperimento di un mese nella stessa fattoria, che ha implementato solo le previsioni di controllo ottimale del modello, ha dimostrato che gli effetti del mondo reale dell'algoritmo potrebbero corrispondere ai miglioramenti energetici complessivi osservati nelle simulazioni. In media durante l'intero periodo di prova, il sistema ha ottenuto un aumento dell'1,2% della produzione di energia a tutte le velocità del vento e un aumento del 3% a velocità comprese tra 6 e 8 metri al secondo (da circa 13 a 18 miglia all'ora).
Sebbene il test sia stato eseguito in un parco eolico, i ricercatori affermano che il modello e la strategia di controllo cooperativo possono essere implementati in qualsiasi parco eolico esistente o futuro. Howland stima che, tradotto nella flotta mondiale di turbine eoliche, un miglioramento energetico complessivo dell'1,2% produrrebbe più di 31 terawattora di elettricità aggiuntiva all'anno, approssimativamente equivalente all'installazione di 3.600 turbine eoliche in più senza alcun costo. Ciò si tradurrebbe in circa 950 milioni di dollari di entrate extra per gli operatori dei parchi eolici all'anno, afferma.
La quantità di energia da guadagnare varierà ampiamente da un parco eolico all'altro, a seconda di una serie di fattori tra cui la spaziatura delle unità, la geometria della loro disposizione e le variazioni dei modelli del vento in quella posizione nel corso di un anno. Ma in tutti i casi, il modello sviluppato da questo team può fornire una chiara previsione di esattamente quali sono i potenziali guadagni per un determinato sito, afferma Howland. "La strategia di controllo ottimale e il potenziale guadagno di energia saranno diversi in ogni parco eolico, il che ci ha motivato a sviluppare un modello di parco eolico predittivo che può essere ampiamente utilizzato, per l'ottimizzazione in tutta la flotta di energia eolica", aggiunge.
Ma il nuovo sistema può essere potenzialmente adottato rapidamente e facilmente, dice. "Non abbiamo bisogno di alcuna installazione hardware aggiuntiva. Stiamo solo apportando una modifica al software e c'è un significativo aumento potenziale di energia ad esso associato". Anche un miglioramento dell'1%, sottolinea, significa che in un tipico parco eolico di circa 100 unità, gli operatori potrebbero ottenere la stessa potenza con una turbina in meno, risparmiando così i costi, solitamente milioni di dollari, associati all'acquisto, alla costruzione e installare quell'unità.
Inoltre, osserva, riducendo le perdite di scia, l'algoritmo potrebbe consentire di posizionare le turbine più vicine tra loro all'interno di futuri parchi eolici, aumentando così la densità di potenza dell'energia eolica, risparmiando sull'impronta terrestre (o marina). Questo aumento della densità di potenza e la riduzione dell'impronta potrebbero aiutare a raggiungere obiettivi urgenti di riduzione delle emissioni di gas serra, che richiedono una sostanziale espansione della diffusione dell'energia eolica, sia in mare che in mare aperto.
Inoltre, afferma, la più grande nuova area di sviluppo di parchi eolici è offshore e "l'impatto delle perdite di scia è spesso molto più elevato nei parchi eolici offshore". Ciò significa che l'impatto di questo nuovo approccio al controllo di tali parchi eolici potrebbe essere notevolmente maggiore.
L'Howland Lab e il team internazionale stanno continuando a perfezionare ulteriormente i modelli e stanno lavorando per migliorare le istruzioni operative che derivano dal modello, muovendosi verso un controllo autonomo e cooperativo e lottando per la massima potenza possibile da un determinato insieme di condizioni, afferma Howland . + Esplora ulteriormente
