Hace veinte años, La energía eólica era principalmente una industria de nicho que contribuía con menos del 1% a la demanda total de electricidad en los Estados Unidos. Desde entonces, el viento se ha convertido en un serio competidor en la carrera por desarrollar fuentes de energía renovable que puedan sostener la red y satisfacer la creciente demanda mundial de energía. El año pasado, la energía eólica suministró el 7% de la demanda eléctrica nacional, y en todo el país, tanto dentro como fuera de la costa, las empresas de energía han estado instalando turbinas gigantes que llegan más alto y más ancho que nunca.

"La energía eólica será un componente realmente importante de la producción de energía, "dijo el ingeniero Jonathan Naughton de la Universidad de Wyoming, en Laramie. Reconoció que los escépticos dudan de la viabilidad de las fuentes de energía renovable como la eólica y la solar porque dependen del clima y son de naturaleza variable. y por lo tanto difícil de controlar y predecir. "Eso es cierto, " él dijo, "pero hay formas de superar eso".

Naughton y Charles Meneveau en la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland, organizó un mini-simposio en la 73a Reunión Anual de la División de Dinámica de Fluidos de la Sociedad Estadounidense de Física, donde los investigadores describieron la promesa y los desafíos de la dinámica de fluidos de la energía eólica.

Para que la energía eólica sea útil y aceptada, los investigadores deben diseñar sistemas que sean tanto eficientes como económicos, Dijo Naughton. Eso significa obtener una mejor comprensión de los fenómenos físicos que gobiernan las turbinas eólicas, en todas las escalas. Hace tres años, El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. reunió a 70 expertos de todo el mundo para discutir el estado de la ciencia. En 2019, el grupo publicó grandes desafíos científicos que deben abordarse para que la energía eólica contribuya hasta la mitad de la demanda de energía.

Uno de esos desafíos fue comprender mejor la física de la parte de la atmósfera donde operan las turbinas. "El viento es realmente un problema de mecánica de fluidos atmosféricos, ", dijo Naughton." Pero cómo se comporta el viento en los niveles donde operan las turbinas es todavía un área en la que necesitamos más información ".

Las turbinas de hoy tienen palas que pueden estirarse de 50 a 70 metros, dijo Paul Veers, Ingeniero Jefe del Centro Nacional de Tecnología Eólica de NREL, quien brindó una descripción general de los desafíos durante el simposio. Estas torres se elevan 100 metros o más sobre sus alrededores. "Costa afuera, se están haciendo aún más grandes, "dijo Veers.

La ventaja de construir turbinas más grandes es que una planta de energía eólica necesitaría menos máquinas para construir y mantener y para acceder a los poderosos vientos por encima del suelo. Pero las centrales eléctricas gigantes funcionan a una escala que no ha sido bien estudiada, dijo Veers.

"Tenemos una capacidad realmente buena para comprender y trabajar con la atmósfera a escalas realmente grandes, ", dijo Veers." Y científicos como Jonathan y Charles han realizado trabajos asombrosos con la dinámica de fluidos para comprender las escalas pequeñas. Pero entre estos dos hay un área que no se ha estudiado tanto ".

Otro desafío será estudiar la dinámica estructural y del sistema de estas gigantes máquinas rotativas. Los vientos interactúan con las palas, que se doblan y retuercen. Las cuchillas giratorias dan lugar a altos números de Reynolds, "y esas son áreas en las que no tenemos mucha información, "dijo Naughton.

Los enfoques computacionales poderosos pueden ayudar a revelar la física, dijo Veers. "Realmente estamos impulsando los métodos computacionales tanto como sea posible, ", dijo." Nos está llevando a las computadoras más rápidas y más grandes que existen en este momento ".

Un tercer desafío, Naughton señaló, consiste en estudiar el comportamiento de grupos de turbinas. Cada turbina produce una estela en la atmósfera, y a medida que esa estela se propaga corriente abajo, interactúa con las estelas de otras turbinas. Los velatorios pueden combinarse; también pueden interferir con otras turbinas. O cualquier otra cosa en la zona. "Si hay tierras de cultivo a favor del viento, no sabemos cómo lo afectará el cambio en el flujo atmosférico, "dijo Naughton.

Llamó a la energía eólica el "problema de escala final". Debido a que conecta problemas a pequeña escala como las interacciones de las turbinas con el aire con problemas a gran escala como el modelado atmosférico, La energía eólica requerirá experiencia y aportes de una variedad de campos para abordar los desafíos. "El viento es una de las formas de energía más baratas, ", dijo Naughton." Pero a medida que la tecnología madura, las preguntas se vuelven más difíciles ".