Twintig jaar geleden, windenergie was meestal een niche-industrie die minder dan 1% bijdroeg aan de totale vraag naar elektriciteit in de Verenigde Staten. Wind is sindsdien een serieuze kanshebber geworden in de race om schone, hernieuwbare energiebronnen die het net kunnen onderhouden en kunnen voldoen aan de steeds toenemende wereldwijde vraag naar energie. Vorig jaar, windenergie leverde 7% van de binnenlandse elektriciteitsvraag, en in het hele land - zowel on- als offshore - hebben energiebedrijven gigantische turbines geïnstalleerd die hoger en breder reiken dan ooit tevoren.

"Windenergie wordt een heel belangrijk onderdeel van de elektriciteitsproductie, " zei ingenieur Jonathan Naughton van de Universiteit van Wyoming, in Laramie. Hij erkende dat sceptici twijfelen aan de levensvatbaarheid van hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zon, omdat ze weersafhankelijk en variabel van aard zijn. en daarom moeilijk te controleren en te voorspellen. "Dat is waar, " hij zei, "maar er zijn manieren om dat te overwinnen."

Naughton en Charles Meneveau aan de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, organiseerde een minisymposium op de 73e jaarlijkse bijeenkomst van de afdeling Fluid Dynamics van de American Physical Society, waar onderzoekers de belofte en vloeistofdynamica-uitdagingen van windenergie beschreven.

Om windenergie nuttig en geaccepteerd te laten zijn, moeten onderzoekers systemen ontwerpen die zowel efficiënt als goedkoop zijn, zei Naughton. Dat betekent een beter begrip krijgen van de fysieke verschijnselen die windturbines beheersen, op alle schalen. Drie jaar geleden, het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse ministerie van Energie bracht 70 experts van over de hele wereld samen om de stand van de wetenschap te bespreken. in 2019, de groep publiceerde grote wetenschappelijke uitdagingen die moeten worden aangepakt voor windenergie om tot de helft van de vraag naar stroom bij te dragen.

Een van die uitdagingen was om de fysica van het deel van de atmosfeer waar de turbines werken beter te begrijpen. "Wind is echt een atmosferisch vloeistofmechanicaprobleem, " zei Naughton. "Maar hoe de wind zich gedraagt ​​op de niveaus waar de turbines werken, is nog steeds een gebied waar we meer informatie nodig hebben."

De huidige turbines hebben bladen die 50 tot 70 meter kunnen rekken, zei Paul Veers, Chief Engineer bij NREL's National Wind Technology Center, die tijdens het symposium een ​​overzicht gaven van de uitdagingen. Deze torens torenen 100 meter of meer uit boven hun omgeving. "Offshore, ze worden nog groter, ’ zei Veers.

Het voordeel van het bouwen van grotere turbines is dat een windenergiecentrale minder machines nodig heeft om te bouwen en te onderhouden en om toegang te krijgen tot de krachtige winden hoog boven de grond. Maar gigantische energiecentrales functioneren op een schaal die niet goed is bestudeerd, zei Veers.

"We hebben een heel goed vermogen om de atmosfeer op zeer grote schaal te begrijpen en ermee te werken, " zei Veers. "En wetenschappers zoals Jonathan en Charles hebben geweldig werk geleverd met vloeistofdynamica om kleine schalen te begrijpen. Maar tussen deze twee er is een gebied dat nog niet zo veel is onderzocht."

Een andere uitdaging zal zijn om de structurele en systeemdynamiek van deze gigantische roterende machines te bestuderen. De wind heeft een wisselwerking met de wieken, die buigen en draaien. De draaiende bladen geven aanleiding tot hoge Reynoldsgetallen, "en dat zijn gebieden waar we niet veel informatie hebben, ' zei Naughton.

Krachtige computationele benaderingen kunnen helpen om de fysica, zei Veers. "We pushen de computationele methoden echt zo ver mogelijk, "zei hij. "Het brengt ons naar de snelste en grootste computers die er nu zijn."

Een derde uitdaging, Naughton merkte op, is om het gedrag van groepen turbines te bestuderen. Elke turbine produceert een zog in de atmosfeer, en terwijl dat zog zich stroomafwaarts voortplant, interageert het met het zog van andere turbines. Wakes kunnen combineren; ze kunnen ook interfereren met andere turbines. Of iets anders in de buurt. "Als er benedenwinds landbouwgrond is, we weten niet hoe de verandering in de atmosferische stroming het zal beïnvloeden, ' zei Naughton.

Hij noemde windenergie het 'ultieme schaalprobleem'. Omdat het kleinschalige problemen zoals de interactie van turbines met de lucht verbindt met grootschalige problemen zoals atmosferische modellering, windenergie vereist expertise en input uit verschillende velden om de uitdagingen aan te gaan. "Wind is een van de goedkoopste vormen van energie, "zei Naughton. "Maar naarmate de technologie volwassener wordt, de vragen worden moeilijker."