Vinte anos atrás, a energia eólica era principalmente uma indústria de nicho que contribuía com menos de 1% para a demanda total de eletricidade nos Estados Unidos. Desde então, o vento emergiu como um sério competidor na corrida para se desenvolver de forma limpa, fontes de energia renováveis ​​que podem sustentar a rede e atender à demanda global cada vez maior de energia. Ano passado, a energia eólica supriu 7% da demanda doméstica de eletricidade, e em todo o país - tanto onshore quanto offshore - as empresas de energia têm instalado turbinas gigantes que atingem um alcance maior e mais amplo do que nunca.

"A energia eólica será um componente realmente importante da produção de energia, "disse o engenheiro Jonathan Naughton da Universidade de Wyoming, em Laramie. Ele reconheceu que os céticos duvidam da viabilidade de fontes de energia renováveis, como a eólica e a solar, porque dependem do clima e são de natureza variável, e, portanto, difícil de controlar e prever. "Isso é verdade, " ele disse, "mas existem maneiras de superar isso."

Naughton e Charles Meneveau na Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland, organizou um mini-simpósio na 73ª Reunião Anual da Divisão de Dinâmica de Fluidos da American Physical Society, onde os pesquisadores descreveram a promessa e os desafios da dinâmica dos fluidos da energia eólica.

Para que a energia eólica seja útil - e aceita - os pesquisadores precisam projetar sistemas que sejam eficientes e baratos, Naughton disse. Isso significa obter uma melhor compreensão dos fenômenos físicos que regem as turbinas eólicas, em todas as escalas. Três anos atrás, o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia dos EUA reuniu 70 especialistas de todo o mundo para discutir o estado da ciência. Em 2019, o grupo publicou grandes desafios científicos que precisam ser enfrentados para que a energia eólica contribua com até metade da demanda de energia.

Um desses desafios foi entender melhor a física da parte da atmosfera onde operam as turbinas. "O vento é realmente um problema de mecânica dos fluidos atmosféricos, "disse Naughton." Mas como o vento se comporta nos níveis em que as turbinas operam, ainda é uma área em que precisamos de mais informações. "

As turbinas de hoje têm pás que podem se estender de 50 a 70 metros, disse Paul Veers, Engenheiro-chefe do National Wind Technology Center do NREL, que forneceu uma visão geral dos desafios durante o simpósio. Essas torres elevam-se a 100 metros ou mais sobre seus arredores. "No mar, eles estão ficando ainda maiores, "disse Veers.

A vantagem de construir turbinas maiores é que uma usina eólica precisaria de menos máquinas para construir, manter e acessar os poderosos ventos acima do solo. Mas as usinas gigantes funcionam em uma escala que não foi bem estudada, disse Veers.

"Temos uma capacidade muito boa de entender e trabalhar com a atmosfera em escalas muito grandes, "disse Veers." E cientistas como Jonathan e Charles fizeram um trabalho incrível com dinâmica de fluidos para entender pequenas escalas. Mas entre esses dois, há uma área que não foi muito estudada. "

Outro desafio será estudar a dinâmica estrutural e do sistema dessas gigantescas máquinas rotativas. Os ventos interagem com as lâminas, que se dobram e torcem. As lâminas giratórias dão origem a altos números de Reynolds, "e essas são áreas em que não temos muitas informações, "disse Naughton.

Abordagens computacionais poderosas podem ajudar a revelar a física, disse Veers. "Estamos realmente levando os métodos computacionais o mais longe possível, "ele disse." Isso está nos levando aos maiores e mais rápidos computadores que existem atualmente. "

Um terceiro desafio, Naughton observou, é estudar o comportamento de grupos de turbinas. Cada turbina produz uma esteira na atmosfera, e conforme essa esteira se propaga rio abaixo, ela interage com as esteira de outras turbinas. Wakes podem combinar; eles também podem interferir com outras turbinas. Ou qualquer outra coisa na área. "Se houver terras agrícolas a favor do vento, não sabemos como a mudança no fluxo atmosférico irá afetá-lo, "disse Naughton.

Ele chamou a energia eólica de "problema de escala final". Porque conecta problemas de pequena escala, como as interações de turbinas com o ar, a problemas de escala gigante, como modelagem atmosférica, a energia eólica exigirá experiência e contribuições de uma variedade de campos para enfrentar os desafios. “O vento está entre as formas de energia mais baratas, "disse Naughton." Mas à medida que a tecnologia amadurece, as perguntas ficam mais difíceis. "