Windenergie steeg wereldwijd in 2019, maar houdt het stand? Meer dan 340, 000 windturbines genereerden wereldwijd meer dan 591 gigawatt. In de VS, wind dreef het equivalent van 32 miljoen huizen aan en hield 500 Amerikaanse fabrieken in stand. Bovendien, in 2019 groeide windenergie met 19 procent, dankzij zowel bloeiende offshore- als onshore-projecten in de VS en China.

Een onderzoek door Cornell University-onderzoekers gebruikten supercomputers om in de toekomst te kijken naar hoe een nog grotere sprong in windenergiecapaciteit in de VS kan worden gemaakt.

"Dit onderzoek is de eerste gedetailleerde studie die is ontworpen om scenario's te ontwikkelen voor hoe windenergie kan groeien van het huidige niveau van zeven procent van de Amerikaanse elektriciteitsvoorziening om de 20 procent te bereiken tegen 2030, zoals uiteengezet door het Amerikaanse Department of Energy National Renewable Energy Laboratory (NREL) ) in 2014, " zei co-auteur van de studie Sara C. Pryor, een professor in de afdeling Aard- en Atmosferische Studies, Cornell universiteit. Pryor en co-auteurs publiceerden de windenergiestudie in Nature Wetenschappelijke rapporten , februari 2020.

In het Cornell-onderzoek zijn plausibele scenario's onderzocht hoe de uitbreiding van het opgesteld vermogen van windturbines kan worden gerealiseerd zonder gebruik van extra grond. Hun resultaten toonden aan dat de VS de geïnstalleerde capaciteit zou kunnen verdubbelen of zelfs verviervoudigen met weinig verandering in de systeembrede efficiëntie. Bovendien, de extra capaciteit zou een zeer kleine impact hebben op het lokale klimaat. Dit wordt onder meer bereikt door de inzet van de volgende generatie, grotere windturbines.

De studie richtte zich op een mogelijke valkuil of het toevoegen van meer turbines in een bepaald gebied hun output zou kunnen verminderen of zelfs het lokale klimaat zou kunnen verstoren, een fenomeen dat wordt veroorzaakt door wat 'windturbine-wake' wordt genoemd. Zoals het kielzog van het water achter een motorboot, windturbines creëren een zog van langzamere, schokkerige lucht die zich uiteindelijk verspreidt en zijn momentum herwint.

"Dit effect is al vele jaren onderworpen aan uitgebreide modellen door de industrie, en het is nog steeds een zeer complexe dynamiek om te modelleren, ' zei Prior.

De onderzoekers voerden simulaties uit met het veelgebruikte Weather Research Forecasting (WRF) -model, ontwikkeld door het National Center for Atmospheric Research. Ze pasten het model toe over het oostelijk deel van de V.S., waar de helft van het huidige landelijke windenergievermogen zich bevindt.

"Toen vonden we de locaties van alle 18, 200 windturbines die in het oosten van de VS actief zijn, samen met hun turbinetype, " zei Pryor. Ze voegde eraan toe dat die locaties uit 2014-gegevens zijn, toen de NREL-studie werd gepubliceerd.

"Voor elke windturbine in deze regio, we bepaalden hun fysieke afmetingen (hoogte), stroom, en stuwkrachtcurves zodat we voor elke simulatieperiode van 10 minuten een windparkparametrisering binnen WRF kunnen gebruiken om te berekenen hoeveel vermogen elke turbine zou genereren en hoe uitgebreid hun zog zou zijn, " zei ze. Vermogen en kielzog zijn beide een functie van de windsnelheid die de turbines treft en wat de lokale klimaatimpact in de buurt van het oppervlak zou zijn. Ze voerden de simulaties uit met een rasterresolutie van 4 km bij 4 km om gedetailleerde lokale informatie.

De auteurs kozen twee sets simulatiejaren omdat windbronnen van jaar tot jaar variëren als gevolg van natuurlijke klimaatvariabiliteit. "Onze simulaties worden uitgevoerd voor een jaar met relatief hoge windsnelheden (2008) en één met lagere windsnelheden (2015/16), "Pryor zei, vanwege de jaarlijkse variabiliteit in het klimaat van de El Nino-Zuidelijke Oscillatie. "We hebben in beide jaren simulaties uitgevoerd voor een basisscenario zonder de aanwezigheid/actie van windturbines, zodat we dit kunnen gebruiken als referentie waartegen ze de impact van windturbines op lokale klimaten beschrijven, ' zei Prior.

De simulaties werden vervolgens herhaald voor een windturbinevloot vanaf 2014, vervolgens voor verdubbeld geïnstalleerd vermogen en verviervoudigd geïnstalleerd vermogen, dat staat voor het vermogen dat nodig is om in 2030 de 20 procent elektriciteitsvoorziening van windturbines te realiseren.

"Met behulp van deze drie scenario's kunnen we beoordelen hoeveel stroom er uit elke situatie zou worden gegenereerd en dus of de elektriciteitsproductie lineair evenredig is met de geïnstalleerde capaciteit of als bij zeer hoge penetratieniveaus het productieverlies als gevolg van wakes de efficiëntie begint te verminderen, ' zei Prior.

Deze simulaties zijn enorm rekenkundig veeleisend. Het simulatiedomein is meer dan 675 bij 657 rastercellen in de horizontale en 41 lagen in de verticale. "Al onze simulaties zijn uitgevoerd in de rekenhulpbron van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Department of Energy, bekend als Cori. Simulaties gepresenteerd in ons artikel verbruikten meer dan 500, 000 CPU-uren op Cori en nam meer dan een kalenderjaar in beslag om op de NERSC Cray te voltooien. Die bron is ontworpen voor massaal parallel computergebruik, maar niet voor analyse van de resulterende simulatie-output, ' zei Prior.

"Dus, al onze analyses zijn uitgevoerd op de XSEDE Jetstream-bron met behulp van parallelle verwerking en big data-analyse in MATLAB, " Pryor toegevoegd. De Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), kent supercomputerbronnen en expertise toe aan onderzoekers en wordt gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).

De door NSF gefinancierde Jetstream-cloudomgeving wordt ondersteund door Indiana University, de Universiteit van Arizona, en het Texas Advanced Computing Center (TACC). Jetstream is een configureerbare grootschalige computerresource die zowel on-demand als persistente virtuele machinetechnologie gebruikt om een ​​veel breder scala aan software-omgevingen en services te ondersteunen dan de huidige NSF-resources kunnen accommoderen.

"Ons werk is ongekend in het detailniveau in de windturbinebeschrijvingen, het gebruik van zelfconsistente prognoses voor een grotere geïnstalleerde capaciteit, domeingrootte bestuderen, en de duur van de simulaties, "zei Pryor. Echter, ze erkende dat onzekerheid de beste manier is om de werking van de windturbines op de atmosfeer te parametriseren en met name het stroomafwaartse herstel van zog.

Het team werkt momenteel aan het ontwerpen, toets, ontwikkelen, en het verbeteren van de parametrering van windparken voor gebruik in WRF. Het Cornell-team had onlangs een publicatie over deze kwestie in de Journal of Applied Meteorology and Climatology, waarin alle analyses werden uitgevoerd op XSEDE-bronnen (dit keer op Wrangler, een TACC-systeem) en hebben om aanvullende XSEDE-middelen verzocht om dat onderzoek verder te bevorderen.

Windenergie zou een grotere rol kunnen spelen bij het verminderen van de uitstoot van kooldioxide door energieproductie, volgens de auteurs van de studie. Wind turbines repay their lifetime carbon emissions associated with their deployment and fabrication in three to seven months of operation. This amounts to nearly 30 years of virtually carbon-free electricity generation.

"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."