De hoeveelheid energie die door hernieuwbare energiebronnen wordt opgewekt, fluctueert afhankelijk van de natuurlijke variabiliteit van hulpbronnen op een bepaald moment. De zon schijnt niet altijd, noch waait de wind altijd, dus traditionele energiecentrales moeten blijven draaien, klaar om de energiekloof in een oogwenk te vullen. Omdat het net geen opslag heeft, en in tegenstelling tot kolen of kernenergie, er is geen controle over de fluctuerende productie van hernieuwbare energie, de energie die ze produceren, moet meteen worden verbruikt, of het risico loopt het elektriciteitsnet in te storten. Op bijzonder winderige dagen, bijvoorbeeld, Het is bekend dat pieken in de stroom opgewekt door windturbines het elektriciteitsnet overweldigen, stroomstoringen veroorzaken. Om dit te voorkomen, exploitanten van grote elektriciteitscentrales nemen soms hun toevlucht tot betalende consumenten om elektriciteit te gebruiken op bijzonder zonnige en winderige dagen wanneer er te veel overtollig vermogen in het systeem is, om vraag en aanbod van energie op het net in evenwicht te brengen.

Omgaan met de pieken en dalen van intermitterende hernieuwbare energie zal een steeds grotere uitdaging worden nu regeringen de komende decennia proberen af ​​te stappen van stabielere kolengestookte energiebronnen. Om deze fluctuaties in hernieuwbare energie op te vangen of te beheersen, we moeten de aard van deze fluctuaties beter begrijpen. Professor Mahesh Bandi, hoofd van de Collective Interactions Unit aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) heeft turbulentietheorie gecombineerd met experimentele windplantgegevens om de statistische aard van windenergiefluctuaties uit te leggen in een paper van één auteur gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Windsnelheidspatronen kunnen worden weergegeven als een windsnelheidsspectrum in een grafiek. 1941, De Russische natuurkundige Andrei Kolmogorov heeft het spectrum van windsnelheidsfluctuaties uitgewerkt. Vervolgens, het bleek dat het spectrum voor windenergie exact hetzelfde patroon volgt. Echter, tot nu, er werd eenvoudigweg aangenomen dat deze spectra identiek waren vanwege de relatie tussen kracht en snelheid, waarbij vermogen gelijk is aan windsnelheid in blokjes. Maar dit bleek een rode haring te zijn. Professor Bandi heeft voor het eerst aangetoond dat het spectrum van fluctuaties in windkracht om een ​​andere reden hetzelfde patroon volgt als fluctuaties in windsnelheid.

Het resultaat van Kolmogorov uit 1941 is van toepassing op metingen van windsnelheid die tegelijkertijd op verschillende verspreide punten in de ruimte zijn gedaan. Maar fluctuaties in het windvermogen bij een turbine worden gemeten op een vaste locatie over een langere periode. De twee metingen zijn fundamenteel verschillend, en door zorgvuldig rekening te houden met dit verschil, Professor Bandi was in staat om het spectrum van windkrachtfluctuaties voor een individuele turbine uit te leggen.

We kunnen turbulentie zien als een luchtbal, of een 'eddy', van fluctuerende windsnelheden. Lange tijdschaal, laagfrequente wervelingen kunnen honderden kilometers overspannen. Binnen deze grote wervelingen zijn kortere tijdschaal, hoogfrequente wervelingen die enkele kilometers kunnen overspannen. Daarom, als alle turbines in dezelfde windinstallatie binnen dezelfde korte en lange tijdschaal wervelingen vallen, de energie die ze produceren fluctueert alsof de hele plant één gigantische turbine is. Dit is precies wat professor Bandi ontdekte toen hij keek naar de windkrachtfluctuaties van alle turbines in een windcentrale in Texas.

In feite, zelfs geografisch verspreide windcentrales kunnen gecorreleerde krachtfluctuaties vertonen als ze binnen dezelfde korte en lange tijdschaal wervelingen vallen. Echter, naarmate de afstand tussen windplanten groter wordt, hun machtsfluctuaties beginnen van elkaar los te koppelen. Twee geografisch verspreide windcentrales kunnen dezelfde lange tijdschaal windsnelheidfluctuaties tegenkomen, terwijl ze volledig verschillende kortere tijdschaal windsnelheidfluctuaties tegenkomen.

Vroeger, sommige wetenschappers hebben het probleem van turbulentie onderschat, met het argument dat de stroom die wordt geproduceerd door geografisch verspreide windturbines op winderige en rustige locaties op een bepaald moment in de tijd zal uitgemiddeld worden wanneer ze een gecentraliseerd net bereiken. Echter, Professor Bandi's bevindingen laten voor het eerst zien, dat dit fenomeen bekend als 'geografische afvlakking', werkt maar tot op zekere hoogte.

Het vermogen dat wordt opgewekt door geografisch verspreide turbine-installaties is gemiddeld bij hoge frequenties, want hoewel één plant binnen de korte tijdschaal zou kunnen vallen, de ander misschien niet. Met andere woorden, de piek in het uitgangsvermogen van de ene fabriek wordt gemiddeld door een dal in het uitgangsvermogen van een andere, verafgelegen plant bij hoge frequenties. Maar omdat de planten nog steeds binnen dezelfde lange tijdschaal wervel vallen, het vermogen dat ze produceren zal gecorreleerde fluctuaties hebben bij lage frequenties. Een stroomstoot in een windturbine-installatie zal samenvallen met de piek in een verafgelegen installatie binnen dezelfde lange tijdschaal, wat betekent dat de stroom die ze aan het net leveren niet kan worden uitgemiddeld. Dit betekent dat er een natuurlijke grens is aan hoeveel men fluctuaties in windvermogen kan gemiddelden; een grens waarboven fluctuaties het net kunnen blijven aantasten. Met behulp van gegevens van 20 windcentrales in Texas en 224 windparken in Ierland toonde professor Bandi aan dat deze limiet in werkelijkheid bestaat.

"Het begrijpen van de aard van fluctuaties in het vermogen van windturbines heeft onmiddellijke gevolgen voor de economische en politieke besluitvorming, ’ zegt professor Bandi.

Door de variabiliteit van hernieuwbare energiebronnen, kolencentrales die back-up energie leveren, blijven draaien in geval van plotselinge stroomuitval, wat betekent dat er meer energie wordt geproduceerd dan nodig is. Dit betekent dat 'groene' energie nog steeds bijdraagt ​​aan de CO2-uitstoot, en er zijn bijbehorende kosten voor het in stand houden van reserve-energie, dat zal de komende jaren alleen maar toenemen naarmate het aandeel hernieuwbare energie toeneemt. De ontdekking van een limiet in geografische afvlakking, gearticuleerd door professor Bandi, zullen betere schattingen mogelijk maken van de operationele hoeveelheid reserves die moet worden aangehouden.

Deze ontdekking zal ook gevolgen hebben voor het milieubeleid. Door rekening te houden met de limiet voor het middelen van fluctuaties van vermogen, gecombineerd met de beschikbaarheid van verschillende hernieuwbare bronnen zoals zon, wind en golven in een bepaald gebied, beleidsmakers zullen beter toegerust zijn om optimale combinaties van verschillende energiebronnen voor specifieke regio's uit te werken

"Het begrijpen van de aard van fluctuaties voor windturbines zou ook andere onderzoekspistes kunnen openen in andere fluctuerende systemen, ’ zegt professor Bandi.