La cantidad de energía generada por las energías renovables varía según la variabilidad natural de los recursos en un momento dado. El sol no siempre brilla ni el viento siempre sopla, por lo que las centrales eléctricas tradicionales deben mantenerse en funcionamiento, listo para llenar el vacío de energía en cualquier momento. Debido a que la red no tiene almacenamiento, y a diferencia del carbón o la energía nuclear, no hay control sobre la producción fluctuante de energía renovable, la energía que producen debe consumirse de inmediato, o riesgo de colapso de la red eléctrica. En días particularmente ventosos, por ejemplo, Se sabe que los aumentos repentinos de la energía generada por las turbinas eólicas abruman la red eléctrica, causando cortes de energía. Para evitar esto, Los operadores de grandes centrales eléctricas a veces recurren a pagar a los consumidores para que usen electricidad en días particularmente soleados y ventosos cuando hay demasiado exceso de energía en el sistema. para equilibrar la oferta y la demanda de energía en la red.

Enfrentar los picos y valles de la energía renovable intermitente será cada vez más desafiante a medida que los gobiernos intenten eliminar gradualmente las fuentes de energía de carbón más estables en las próximas décadas. Para mitigar o gestionar estas fluctuaciones en las energías renovables, necesitamos comprender mejor la naturaleza de estas fluctuaciones. Profesor Mahesh Bandi, El jefe de la Unidad de Interacciones Colectivas en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) ha utilizado la teoría de la turbulencia combinada con datos experimentales de plantas eólicas para explicar la naturaleza estadística de las fluctuaciones de la energía eólica en un artículo de un solo autor publicado en Cartas de revisión física .

Los patrones de velocidad del viento se pueden representar como un espectro de velocidad del viento en un gráfico. En 1941, El físico ruso Andrei Kolmogorov elaboró ​​el espectro de fluctuaciones de la velocidad del viento. Después, Se demostró que el espectro de la energía eólica sigue exactamente el mismo patrón. Sin embargo, hasta ahora, simplemente se asumió que estos espectros eran idénticos debido a la relación entre potencia y velocidad, donde la potencia es igual a la velocidad del viento al cubo. Pero esto resultó ser una pista falsa. El profesor Bandi ha demostrado por primera vez que el espectro de fluctuaciones de la energía eólica sigue el mismo patrón que las fluctuaciones de la velocidad del viento por una razón diferente.

El resultado de Kolmogorov de 1941 se aplica a las mediciones de la velocidad del viento realizadas en varios puntos distribuidos en el espacio al mismo tiempo. Pero las fluctuaciones de la energía eólica en una turbina se miden en una ubicación fija durante un período de tiempo prolongado. Las dos medidas son fundamentalmente diferentes, y teniendo en cuenta cuidadosamente esta diferencia, El profesor Bandi pudo explicar el espectro de fluctuaciones de la energía eólica para una turbina individual.

Podemos pensar en la turbulencia como una bola de aire, o un 'remolino', de la velocidad del viento fluctuante. Escala de tiempo larga, Los remolinos de baja frecuencia pueden abarcar cientos de kilómetros. Dentro de estos grandes remolinos hay escalas de tiempo más cortas, remolinos de alta frecuencia que pueden extenderse unos pocos kilómetros. Por lo tanto, si todas las turbinas de la misma planta eólica caen dentro de los mismos remolinos de corto y largo tiempo, la energía que producen fluctúa como si toda la planta fuera una turbina gigante. Esto es exactamente lo que encontró el profesor Bandi cuando observó las fluctuaciones de la energía eólica de todas las turbinas en una planta eólica en Texas.

De hecho, incluso las plantas eólicas geográficamente dispersas pueden exhibir fluctuaciones correlacionadas en el poder si caen dentro de los mismos remolinos de escala de tiempo corto y largo. Sin embargo, a medida que aumenta la distancia entre las plantas eólicas, sus fluctuaciones de poder comienzan a desacoplarse entre sí. Dos plantas eólicas geográficamente dispersas pueden encontrar las mismas fluctuaciones de la velocidad del viento en una escala de tiempo prolongada, mientras que se encuentran con fluctuaciones de la velocidad del viento en una escala de tiempo más corta y completamente distintas.

En el pasado, algunos científicos han subestimado el problema de la turbulencia, argumentando que la energía producida por turbinas eólicas geográficamente dispersas en lugares ventosos y tranquilos en cualquier punto en el tiempo promediará cuando alcancen una red centralizada. Sin embargo, Los hallazgos del profesor Bandi muestran por primera vez, que este fenómeno, conocido como "suavizado geográfico", solo funciona hasta cierto punto.

La energía generada por plantas de turbinas geográficamente dispersas promedia a altas frecuencias, porque si bien una planta puede caer dentro del remolino de corta escala de tiempo, el otro puede que no. En otras palabras, el aumento en la producción de energía en una planta es promediado por un valle en la producción de energía de otra, Planta lejana a altas frecuencias. Pero debido a que las plantas todavía caen dentro del mismo remolino de larga escala de tiempo, la energía que producen tendrá fluctuaciones correlacionadas a bajas frecuencias. Un aumento de potencia en una planta de turbina eólica coincidirá con el aumento en una planta lejana dentro del mismo remolino de larga escala de tiempo, lo que significa que la energía que alimentan a la red no se puede promediar. Esto significa que hay un límite natural a cuánto se pueden promediar las fluctuaciones en la energía eólica; un límite más allá del cual las fluctuaciones pueden seguir causando estragos en la red. Utilizando datos de 20 plantas eólicas en Texas y 224 parques eólicos en Irlanda, el profesor Bandi demostró que este límite existe en realidad.

"Comprender la naturaleza de las fluctuaciones en la energía de las turbinas eólicas tiene implicaciones inmediatas para la toma de decisiones económicas y políticas, "dice el profesor Bandi.

Debido a la variabilidad de las renovables, Las centrales eléctricas de carbón que proporcionan energía de respaldo se mantienen en funcionamiento en caso de cortes repentinos de energía. lo que significa que se produce más energía de la necesaria. Esto significa que la energía 'verde' sigue contribuyendo a las emisiones de carbono, y hay un costo asociado de mantener la energía de reserva, que solo aumentará a medida que aumente la proporción de energías renovables en los próximos años. El descubrimiento de un límite en la suavización geográfica, articulado por el profesor Bandi, permitirá estimar mejor el monto operativo de reservas que es necesario mantener.

Este descubrimiento también afectará la política medioambiental. Considerando el límite para promediar las fluctuaciones de potencia, combinado con la disponibilidad de diferentes recursos renovables como el sol, viento y olas en un área en particular, Los responsables políticos estarán mejor equipados para encontrar combinaciones óptimas de diferentes fuentes de energía para regiones específicas.

"Comprender la naturaleza de las fluctuaciones de las turbinas eólicas también podría abrir otras vías de investigación en otros sistemas fluctuantes, "dice el profesor Bandi.