Mängden energi som genereras av förnybara energikällor varierar beroende på den naturliga variationen i resurser vid varje given tidpunkt. Solen skiner inte alltid, det blåser inte alltid vind, så traditionella kraftverk måste hållas igång, redo att fylla energigapet med ett ögonblick. Eftersom nätet inte har någon lagring, och till skillnad från kol eller kärnkraft, det finns ingen kontroll över den fluktuerande produktionen av förnybar energi, energin de producerar måste förbrukas direkt, eller riskera att kollapsa elnätet. På särskilt blåsiga dagar, till exempel, kraftöverskott som genereras av vindkraftverk har varit kända för att överväldiga det elektriska nätet, orsakar strömavbrott. För att undvika detta, operatörer av stora kraftverk brukar ibland betala konsumenter för att använda el under särskilt soliga och blåsiga dagar när det är för mycket överskott i systemet, för att balansera utbud och efterfrågan på energi på nätet.

Att hantera toppar och dalar av intermittent förnybar energi kommer att bli alltmer utmanande när regeringar försöker fasa ut mer stabila koldrivna energikällor under de kommande decennierna. För att mildra eller hantera dessa fluktuationer i förnybar energi, vi måste förstå karaktären av dessa fluktuationer bättre. Professor Mahesh Bandi, chef för enheten för kollektiva interaktioner vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har använt turbulensteori kombinerat med experimentella vindkraftverksdata för att förklara den statistiska karaktären av vindkraftsfluktuationer i ett författarpapper publicerat i Fysiska granskningsbrev .

Vindhastighetsmönster kan avbildas som ett vindhastighetsspektrum på en graf. 1941, Den ryska fysikern Andrei Kolmogorov räknade ut spektrumet av vindhastighetsfluktuationer. Senare, det visades att spektrumet för vindkraft följer exakt samma mönster. Dock, tills nu, man antog helt enkelt att dessa spektra var identiska på grund av förhållandet mellan kraft och hastighet, där kraften är lika med vindhastigheten kubad. Men detta visade sig vara en röd sill. Professor Bandi har för första gången visat att spektrumet av vindkraftsfluktuationer följer samma mönster som vindhastighetsfluktuationer av en annan anledning.

Kolmogorovs resultat från 1941 gäller mätningar av vindhastighet gjorda vid flera fördelade punkter i rymden samtidigt. Men vindkraftsfluktuationer vid ett turbin mäts på en fast plats under en längre tidsperiod. De två mätningarna är i grunden olika, och genom att noggrant redogöra för denna skillnad, Professor Bandi kunde förklara spektrumet av vindkraftsvängningar för en enskild turbin.

Vi kan tänka på turbulens som en luftboll, eller en "virvel", av fluktuerande vindhastighet. Lång tidsskala, lågfrekventa virvlar kan sträcka sig över hundratals kilometer. Inuti dessa stora virvlar är kortare tidsskalor, högfrekventa virvlar som kan sträcka sig över några kilometer. Därför, om alla turbiner i samma vindkraftverk faller inom samma korta och långa tidsskala virvlar, energin de producerar fluktuerar som om hela anläggningen vore en gigantisk turbin. Det här är precis vad professor Bandi fann när han tittade på vindkraftsfluktuationerna för alla turbinerna i ett vindkraftverk i Texas.

Faktiskt, även geografiskt spridda vindkraftverk kan uppvisa korrelerade effektfluktuationer om de faller inom samma korta och långa tidsskaliga virvlar. Dock, när avståndet mellan vindkraftverk ökar, deras effektfluktuationer börjar frikopplas från varandra. Två geografiskt spridda vindkraftverk kan stöta på samma långa tidsskala vindhastighetsfluktuationer medan de stöter på helt distinkta kortare tidsskala vindhastighetsfluktuationer.

Förr, vissa forskare har underskattat problemet med turbulens, hävdar att den kraft som produceras av geografiskt spridda vindkraftverk på blåsiga och lugna platser vid någon tidpunkt kommer att genomsnittliga när de når ett centraliserat nät. Dock, Professor Bandis resultat visar för första gången, att detta fenomen, känd som 'geografisk utjämning', fungerar bara till viss del.

Effekten som genereras av geografiskt spridda turbinanläggningar är i genomsnitt vid höga frekvenser, för medan en växt kan falla inom den korta tidsskaliga virveln, den andra kanske inte. Med andra ord, kraftökningen vid en anläggning beräknas i genomsnitt av ett effektuttag från en annan, fjärranläggning vid höga frekvenser. Men eftersom växterna fortfarande faller inom samma långa tidsskaliga virvel, den effekt de producerar kommer att ha korrelerade fluktuationer vid låga frekvenser. En kraftökning vid ett vindkraftverk kommer att sammanfalla med överspänningen vid en fjärranläggning inom samma långa virvel, vilket innebär att kraften de matar till nätet inte kan beräknas i genomsnitt. Detta innebär att det finns en naturlig gräns för hur mycket man kan genomsnittliga fluktuationer i vindkraft; en gräns bortom vilken fluktuationer kan fortsätta att orsaka förödelse på nätet. Med hjälp av data från 20 vindkraftverk i Texas och 224 vindkraftparker i Irland visade professor Bandi att denna gräns finns i verkligheten.

"Att förstå karaktären av fluktuationer i vindkraftverk har omedelbara konsekvenser för ekonomiskt och politiskt beslutsfattande, säger professor Bandi.

På grund av variationen i förnybar energi, koleldade kraftverk som tillhandahåller reservenergi hålls igång vid plötsliga strömavbrott, vilket innebär att mer energi produceras än vad som behövs. Detta betyder att "grön" energi fortfarande bidrar till koldioxidutsläpp, och det finns en tillhörande kostnad för att behålla reservenergi, det kommer bara att öka när andelen förnybara energikällor ökar under de kommande åren. Upptäckten av en gräns för geografisk utjämning, artikulerad av professor Bandi, kommer att möjliggöra bättre uppskattningar av den operativa mängden reserver som behöver upprätthållas.

Denna upptäckt kommer också att påverka miljöpolitiken. Genom att överväga gränsen för genomsnittliga maktfluktuationer, kombinerat med tillgången på olika förnybara resurser som sol, vind och vågor i ett visst område, beslutsfattare kommer att vara bättre rustade att utarbeta optimala kombinationer av olika energikällor för specifika regioner

"Att förstå karaktären av fluktuationer för vindkraftverk kan också öppna upp andra vägar för forskning i andra fluktuerande system, säger professor Bandi.