A energia eólica cresceu em todo o mundo em 2019, mas vai sustentar? Mais de 340, 000 turbinas eólicas geraram mais de 591 gigawatts globalmente. Nos E.U.A., o vento alimentou o equivalente a 32 milhões de residências e sustentou 500 fábricas nos Estados Unidos. O que mais, em 2019, a energia eólica cresceu 19 por cento, graças aos crescentes projetos offshore e onshore nos EUA e na China.

Um estudo realizado por pesquisadores da Cornell University usou supercomputadores para olhar para o futuro de como dar um salto ainda maior na capacidade de energia eólica nos EUA.

"Esta pesquisa é o primeiro estudo detalhado projetado para desenvolver cenários de como a energia eólica pode expandir dos níveis atuais de 7% do fornecimento de eletricidade dos EUA para atingir a meta de 20% até 2030 delineada pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA (NREL ) em 2014, "disse a coautora do estudo Sara C. Pryor, um professor do Departamento de Estudos da Terra e Atmosféricos, Cornell University. Pryor e co-autores publicaram o estudo de energia eólica na Nature Relatórios Científicos , Fevereiro de 2020.

O estudo Cornell investigou cenários plausíveis de como a expansão da capacidade instalada de turbinas eólicas pode ser alcançada sem o uso de terras adicionais. Seus resultados mostraram que os EUA poderiam dobrar ou mesmo quadruplicar a capacidade instalada com pouca alteração na eficiência de todo o sistema. O que mais, a capacidade adicional teria impactos muito pequenos no clima local. Isso é conseguido em parte com a implantação da próxima geração, turbinas eólicas maiores.

O estudo se concentrou em uma armadilha potencial de se adicionar mais turbinas em uma determinada área pode diminuir sua produção ou mesmo perturbar o clima local, um fenômeno causado pelo que é conhecido como 'esteira de turbina eólica'. Como a esteira d'água atrás de um barco a motor, turbinas eólicas criam uma esteira de lentidão, ar agitado que eventualmente se espalha e recupera seu ímpeto.

"Este efeito foi sujeito a uma modelagem extensa pela indústria por muitos anos, e ainda é uma dinâmica altamente complexa de modelar, "Pryor disse.

Os pesquisadores realizaram simulações com o modelo amplamente utilizado de Previsão de Pesquisa do Tempo (WRF), desenvolvido pelo National Center for Atmospheric Research. Eles aplicaram o modelo na parte oriental dos EUA, onde se encontra metade da atual capacidade nacional de energia eólica.

"Em seguida, encontramos as localizações de todos os 18, 200 turbinas eólicas operando no leste dos EUA, juntamente com seu tipo de turbina, "Pryor disse. Ela acrescentou que esses locais são de dados de 2014, quando o estudo NREL foi publicado.

“Para cada turbina eólica nesta região, determinamos suas dimensões físicas (altura), potência, e curvas de empuxo para que, para cada período de simulação de 10 minutos, possamos usar uma parametrização de parque eólico dentro do WRF para calcular quanta energia cada turbina geraria e quão extensa seria sua esteira, ", disse ela. A energia e a esteira são função da velocidade do vento que atinge as turbinas e qual seria o impacto climático local próximo à superfície. Eles realizaram as simulações em uma resolução de grade de 4 km por 4 km para fornecer detalhes informações locais.

Os autores escolheram dois conjuntos de anos de simulação porque os recursos eólicos variam de ano para ano como resultado da variabilidade natural do clima. "Nossas simulações são realizadas por um ano com velocidades de vento relativamente altas (2008) e outro com velocidades de vento mais baixas (2015/16), "Pryor disse, por causa da variabilidade interanual no clima da Oscilação El Niño-Sul. "Realizamos simulações para um caso base em ambos os anos sem a presença / ação de turbinas eólicas, então podemos usar isso como uma referência contra a qual eles descrevem o impacto das turbinas eólicas nos climas locais, "Pryor disse.

As simulações foram então repetidas para uma frota de turbinas eólicas a partir de 2014, em seguida, para dobrar a capacidade instalada e quadruplicar a capacidade instalada, que representa a capacidade necessária para atingir 20 por cento do fornecimento de eletricidade a partir de turbinas eólicas em 2030.

"Usando esses três cenários, podemos avaliar quanta energia seria gerada a partir de cada situação e, portanto, se a produção de energia elétrica é linearmente proporcional à capacidade instalada ou se em níveis de penetração muito elevados a perda de produção devido a esteiras começa a diminuir a eficiência, "Pryor disse.

Essas simulações são extremamente exigentes em termos computacionais. O domínio de simulação é superior a 675 por 657 células de grade na horizontal e 41 camadas na vertical. "Todas as nossas simulações foram realizadas no recurso computacional do Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Departamento de Energia conhecido como Cori. As simulações apresentadas em nosso artigo consumiram mais de 500, 000 horas de CPU no Cori e levou mais de um ano para ser concluído no NERSC Cray. Esse recurso é projetado para computação massivamente paralela, mas não para análise do resultado da simulação, "Pryor disse.

"Assim, todas as nossas análises foram realizadas no recurso XSEDE Jetstream usando processamento paralelo e análise de big data em MATLAB, "Pryor acrescentou. The Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), concede recursos de supercomputador e experiência a pesquisadores e é financiado pela National Science Foundation (NSF).

O ambiente de nuvem Jetstream financiado pela NSF é suportado pela Universidade de Indiana, a Universidade do Arizona, e o Texas Advanced Computing Center (TACC). O Jetstream é um recurso de computação configurável em grande escala que aproveita a tecnologia de máquina virtual sob demanda e persistente para oferecer suporte a uma gama muito mais ampla de ambientes de software e serviços do que os recursos NSF atuais podem acomodar.

"Nosso trabalho é sem precedentes no nível de detalhe nas descrições das turbinas eólicas, o uso de projeções autoconsistentes para o aumento da capacidade instalada, tamanho do domínio de estudo, e a duração das simulações, "Pryor disse. No entanto, ela reconheceu que a incerteza é a melhor forma de parametrizar a ação das turbinas eólicas na atmosfera e, especificamente, na recuperação a jusante das esteiras.

A equipe está trabalhando atualmente em como projetar, teste, desenvolve, e melhorar as parametrizações de parques eólicos para uso em WRF. A equipe Cornell publicou recentemente sobre este assunto no Journal of Applied Meteorology and Climatology, onde todas as análises foram realizadas em recursos XSEDE (desta vez no Wrangler, um sistema TACC) e solicitaram recursos XSEDE adicionais para avançar ainda mais com essa pesquisa.

A energia eólica pode desempenhar um papel maior na redução das emissões de dióxido de carbono da produção de energia, according to the study authors. 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."