Vindkraften ökade över hela världen 2019, men kommer det att hålla? Mer än 340, 000 vindkraftverk genererade över 591 gigawatt globalt. I USA., vind drev motsvarande 32 miljoner bostäder och höll 500 amerikanska fabriker. Vad mer, under 2019 växte vindkraften med 19 procent, tack vare både blomstrande offshore- och landbaserade projekt i USA och Kina.

En studie av forskare från Cornell University använde superdatorer för att se in i framtiden om hur man gör ett ännu större hopp i vindkraftskapacitet i USA

"Denna forskning är den första detaljerade studien som är utformad för att utveckla scenarier för hur vindenergi kan expandera från de nuvarande nivåerna på sju procent av amerikansk elförsörjning för att uppnå målet på 20 procent till 2030 som skisseras av US Department of Energy National Renewable Energy Laboratory (NREL) ) under 2014, "säger studieförfattaren Sara C. Pryor, professor vid institutionen för jord- och atmosfäriska studier, Cornell University. Pryor och medförfattare publicerade vindkraftstudien i Nature Vetenskapliga rapporter , Februari 2020.

Cornellstudien undersökte troliga scenarier för hur utbyggnad av installerad kapacitet för vindkraftverk kan uppnås utan användning av ytterligare mark. Deras resultat visade att USA kunde fördubbla eller till och med fyrdubbla den installerade kapaciteten med liten förändring av systemövergripande effektivitet. Vad mer, den extra kapaciteten skulle få mycket små effekter på det lokala klimatet. Detta uppnås delvis genom att distribuera nästa generation, större vindkraftverk.

Studien fokuserade på en potentiell fallgrop om huruvida tillsats av fler turbiner i ett visst område kan minska deras produktion eller till och med störa det lokala klimatet, ett fenomen som orsakas av det som kallas 'vindkraftverk'. Som vattnet vaknar bakom en motorbåt, vindkraftverk skapar ett långsammare, hackig luft som så småningom sprider sig och återvinner sin fart.

"Denna effekt har varit föremål för omfattande modellering av branschen i många år, och det är fortfarande en mycket komplex dynamik att modellera, "Sa Pryor.

Forskarna genomförde simuleringar med den allmänt använda Weather Research Forecasting-modellen (WRF), utvecklat av National Center for Atmospheric Research. De tillämpade modellen över den östra delen av USA, där hälften av den nuvarande nationella vindenergikapaciteten ligger.

"Vi hittade sedan platserna för alla 18, 200 vindkraftverk som arbetar i östra USA tillsammans med sin turbintyp, "Sa Pryor. Hon tillade att dessa platser är från 2014 års data, när NREL -studien publicerades.

"För varje vindkraftverk i denna region, vi bestämde deras fysiska dimensioner (höjd), kraft, och tryckkurvor så att vi för varje 10-minuters simuleringsperiod kan använda en vindkraftsparameterisering inom WRF för att beräkna hur mycket effekt varje turbin skulle generera och hur omfattande deras kölvatten skulle vara, "sa hon. Kraft och väckning är både en funktion av vindhastigheten som träffar turbinerna och vad den lokala klimatpåverkan nära ytan skulle vara. De genomförde simuleringarna med en nätupplösning på 4 km med 4 km för att ge detaljerade lokal information.

Författarna valde två uppsättningar av simuleringsår eftersom vindresurser varierar från år till år till följd av naturlig klimatvariation. "Våra simuleringar genomförs under ett år med relativt höga vindhastigheter (2008) och en med lägre vindhastigheter (2015/16), "Sa Pryor, på grund av den årliga variationen i klimatet från El Nino-södra oscillationen. "Vi utförde simuleringar för ett basfall i båda åren utan närvaro/verkan av vindkraftverk så att vi kan använda detta som en referens mot vilken de beskriver påverkan från vindkraftverk på lokala klimat, "Sa Pryor.

Simuleringarna upprepades sedan för en vindkraftpark från 2014, sedan för fördubblad installerad kapacitet och fyrdubblad installerad kapacitet, vilket representerar den kapacitet som krävs för att uppnå 20 procent av elförsörjningen från vindkraftverk 2030.

"Med hjälp av dessa tre scenarier kan vi bedöma hur mycket ström som skulle genereras från varje situation och därmed om elproduktionen är linjärt proportionell mot den installerade kapaciteten eller om förlusten av produktion på grund av väckningar börjar minska effektiviteten vid mycket höga penetrationsnivåer, "Sa Pryor.

Dessa simuleringar är enormt beräkningskrävande. Simuleringsdomänen är över 675 x 657 rutnätceller i horisontalen och 41 lager i vertikalen. "Alla våra simuleringar utfördes i Department of Energy's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) beräkningsresurs som kallas Cori. Simuleringar som presenteras i vårt papper förbrukade över 500, 000 CPU -timmar på Cori och tog över ett kalenderår att slutföra på NERSC Cray. Den resursen är utformad för massivt parallell beräkning men inte för analys av den resulterande simuleringsutmatningen, "Sa Pryor.

"Således, alla våra analyser utfördes på XSEDE Jetstream -resursen med parallellbehandling och big data -analys i MATLAB, "Pryor tillagd. Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), delar ut superdatorresurser och expertis till forskare och finansieras av National Science Foundation (NSF).

Den NSF-finansierade Jetstream-molnmiljön stöds av Indiana University, University of Arizona, och Texas Advanced Computing Center (TACC). Jetstream är en konfigurerbar storskalig datorresurs som utnyttjar både on-demand och ihållande virtuell maskinteknik för att stödja ett mycket bredare utbud av mjukvarumiljöer och tjänster än nuvarande NSF-resurser kan ta emot.

"Vårt arbete är utan motstycke i detaljnivån i beskrivningarna av vindkraftverk, användningen av självkonsistenta projektioner för ökad installerad kapacitet, studera domänstorlek, och varaktigheten av simuleringarna, "Sa Pryor. Men hon erkände att osäkerhet är det bästa sättet att parametrisera vindkraftverkens verkan på atmosfären och specifikt nedströms återhämtning av väckningar.

Teamet arbetar för närvarande med hur man designar, testa, utveckla, och förbättra vindkraftsparameteriseringar för användning i WRF. Cornell -teamet hade nyligen en publikation om denna fråga i Journal of Applied Meteorology and Climatology där all analys utfördes på XSEDE -resurser (den här gången på Wrangler, ett TACC -system) och har begärt ytterligare XSEDE -resurser för att vidareutveckla den forskningen.

Vindenergi kan spela en större roll för att minska koldioxidutsläpp från energiproduktion, enligt studieförfattarna. 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."