A quantidade de energia gerada por energias renováveis ​​flutua dependendo da variabilidade natural dos recursos em um determinado momento. O sol nem sempre está brilhando, nem o vento está sempre soprando, portanto, as usinas tradicionais devem ser mantidas em funcionamento, pronto para preencher a lacuna de energia a qualquer momento. Porque a grade não tem armazenamento, e ao contrário do carvão ou nuclear, não há controle sobre a produção flutuante de energia renovável, a energia que eles produzem deve ser consumida imediatamente, ou risco de colapso da rede elétrica. Em dias particularmente ventosos, por exemplo, picos de energia gerada por turbinas eólicas são conhecidos por sobrecarregar a rede elétrica, causando quedas de energia. Para evitar isso, operadores de grandes usinas de energia às vezes recorrem a consumidores pagantes para usar eletricidade em dias particularmente ensolarados e ventosos, quando há excesso de energia no sistema, a fim de equilibrar o fornecimento e a demanda de energia na rede.

Lidar com os altos e baixos da energia renovável intermitente se tornará cada vez mais desafiador à medida que os governos tentam eliminar as fontes de energia movidas a carvão mais estáveis ​​nas próximas décadas. A fim de mitigar ou gerenciar essas flutuações na energia renovável, precisamos entender melhor a natureza dessas flutuações. Professor Mahesh Bandi, O chefe da Unidade de Interações Coletivas da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) usou a teoria da turbulência combinada com dados experimentais de usinas eólicas para explicar a natureza estatística das flutuações da energia eólica em um artigo de um único autor publicado em Cartas de revisão física .

Os padrões de velocidade do vento podem ser representados como um espectro de velocidade do vento em um gráfico. Em 1941, O físico russo Andrei Kolmogorov calculou o espectro das flutuações da velocidade do vento. Subseqüentemente, foi mostrado que o espectro da energia eólica segue exatamente o mesmo padrão. Contudo, até agora, foi simplesmente assumido que esses espectros eram idênticos devido à relação entre potência e velocidade, onde a potência é igual à velocidade do vento ao cubo. Mas isso provou ser uma pista falsa. O professor Bandi mostrou pela primeira vez que o espectro das flutuações da energia eólica segue o mesmo padrão das flutuações da velocidade do vento por um motivo diferente.

O resultado de Kolmogorov de 1941 se aplica a medições da velocidade do vento feitas em vários pontos distribuídos no espaço ao mesmo tempo. Mas as flutuações da energia eólica em uma turbina são medidas em um local fixo por um longo período de tempo. As duas medidas são fundamentalmente diferentes, e ao considerar cuidadosamente essa diferença, O professor Bandi foi capaz de explicar o espectro das flutuações da energia eólica para uma turbina individual.

Podemos pensar na turbulência como uma bola de ar, ou um 'redemoinho', da flutuação da velocidade do vento. Longa escala de tempo, redemoinhos de baixa frequência podem abranger centenas de quilômetros. Dentro desses grandes redemoinhos há uma escala de tempo mais curta, redemoinhos de alta frequência que podem abranger alguns quilômetros. Portanto, se todas as turbinas na mesma usina eólica estiverem dentro dos mesmos redemoinhos em escala de tempo curto e longo, a energia que eles produzem flutua como se a planta inteira fosse uma turbina gigante. Isso é exatamente o que o professor Bandi descobriu quando olhou para as flutuações de energia eólica de todas as turbinas de uma usina eólica no Texas.

Na verdade, até mesmo usinas eólicas geograficamente dispersas podem exibir flutuações correlatas de potência se caírem nos mesmos redemoinhos em escala de tempo curto e longo. Contudo, conforme a distância entre as usinas eólicas aumenta, suas flutuações de energia começam a se separar umas das outras. Duas usinas eólicas geograficamente dispersas podem encontrar as mesmas flutuações de velocidade do vento em longa escala de tempo, enquanto encontram flutuações de velocidade do vento em escala de tempo mais curtas e completamente distintas.

No passado, alguns cientistas subestimaram o problema da turbulência, argumentando que a energia produzida por turbinas eólicas geograficamente dispersas em locais ventosos e calmos em qualquer ponto no tempo será média quando chegarem a uma rede centralizada. Contudo, As descobertas do professor Bandi mostram, pela primeira vez, que este fenômeno, conhecido como 'suavização geográfica', só funciona até certo ponto.

A energia gerada por usinas de turbinas geograficamente dispersas é em média em altas frequências, porque enquanto uma planta pode cair dentro do redemoinho de curta escala de tempo, o outro pode não. Em outras palavras, o surto na produção de energia em uma planta é compensado por uma calha na produção de energia de outra, planta distante em altas frequências. Mas porque as plantas ainda estão dentro do mesmo redemoinho de longa escala de tempo, a energia que eles produzem terá flutuações correlacionadas em baixas frequências. Um surto de energia em uma usina de turbina eólica coincidirá com o surto em uma usina distante dentro do mesmo redemoinho em longa escala de tempo, o que significa que a energia que eles fornecem à rede não pode ser calculada. Isso significa que há um limite natural para o quanto se pode calcular a média das flutuações na energia eólica; um limite além do qual as flutuações podem continuar a causar estragos na rede. Usando dados de 20 usinas eólicas no Texas e 224 parques eólicos na Irlanda, o professor Bandi mostrou que esse limite existe na realidade.

"Compreender a natureza das flutuações na energia das turbinas eólicas tem implicações imediatas para a tomada de decisões econômicas e políticas, "diz o professor Bandi.

Devido à variabilidade das energias renováveis, as usinas movidas a carvão que fornecem energia de reserva são mantidas em funcionamento em caso de interrupções repentinas de energia, o que significa que mais energia é produzida do que o necessário. Isso significa que a energia 'verde' ainda está contribuindo para as emissões de carbono, e há um custo associado de manutenção de energia de reserva, isso só aumentará à medida que a proporção de energias renováveis ​​aumentar nos próximos anos. A descoberta de um limite na suavização geográfica, articulado pelo professor Bandi, permitirá melhores estimativas da quantidade operacional de reservas que precisam ser mantidas.

Esta descoberta também impactará a política ambiental. Ao considerar o limite para as flutuações médias de poder, combinado com a disponibilidade de diferentes recursos renováveis, como o sol, vento e ondas em uma determinada área, os formuladores de políticas estarão mais bem equipados para elaborar combinações ótimas de diferentes fontes de energia para regiões específicas

"Compreender a natureza das flutuações das turbinas eólicas também pode abrir outras vias de pesquisa em outros sistemas flutuantes, "diz o professor Bandi.