Se necesitan mejores modelos de computadora para mega parques eólicos

Con la energía eólica cada vez más barata, los desarrolladores de parques eólicos están elaborando planes para granjas de un orden de magnitud más grande que cualquier otra cosa en la actualidad, algunas con más de 1,000 turbinas. Pero hay un gran problema: la economía de los parques eólicos depende de predicciones precisas de la producción de energía, y es mucho más difícil modelar cómo se comportarán estos grandes parques eólicos.

Vientos cambiantes: Una simulación muestra los efectos de las estelas turbulentas en los aerogeneradores aguas abajo. La turbulencia afecta el aire a una altura de un kilómetro sobre el suelo.

En la escala de varios cientos a más de mil turbinas eólicas, simular las interacciones entre tantas turbinas eólicas, en una variedad de condiciones climáticas diferentes, puede resultar demasiado complejo para los modelos informáticos actuales. El problema podría tener profundas implicaciones para el costo de la energía eólica y su capacidad de escalar para reemplazar grandes cantidades de combustible fósil.

Hace unos cinco años, la recopilación de datos deficiente y los modelos informáticos ineficaces significaban que los desarrolladores eólicos eran propensos a sobreestimar la producción de energía de sus granjas en más del 10 por ciento, lo suficiente como para destruir las ganancias y, en algunos casos, evitar que paguen los préstamos. Los modelos han mejorado, pero el salto a parques eólicos más grandes y la creciente prevalencia de parques eólicos ordinarios construidos lo suficientemente cerca como para interferir entre sí, está planteando el problema nuevamente.

Algunos investigadores y expertos de la industria dicen que si bien los modelos informáticos se han vuelto buenos para estimar la producción de parques eólicos típicos de entre 50 y 100 turbinas eólicas, tendrán problemas a escalas mucho mayores. Si tuviera que ir a 1,000 turbinas eólicas, las herramientas de la industria comenzarían a fallar, dice Keith Longtin, gerente general de administración de productos en GE Power and Water.

Con miles de millones de dólares en juego, los desarrolladores de los nuevos y muy grandes parques eólicos están tomando medidas extraordinarias para tratar de predecir la producción de energía.

Se espera que la construcción de un mega parque eólico de 1,000 turbinas propuesto, el proyecto Chokecherry y Sierra Madre en el rancho Overland Trail en Wyoming, comience el próximo año.

Los desarrolladores del proyecto han medido la velocidad del viento, la dirección, la temperatura y otras condiciones climáticas en el sitio durante cinco años (dos años es estándar). Han recopilado datos de 32 torres meteorológicas repletas de sensores que se elevan de 60 a 80 metros por encima de las onduladas colinas cubiertas de arbustos de salvia del rancho, junto con mediciones de un radar basado en sonido (llamado sodar) que puede escanear el viento en altitudes de hasta 200 metros, la altura de algunos aerogeneradores.

Los desarrolladores también han utilizado supercomputadoras para ejecutar los datos a través de los últimos modelos informáticos, desarrollados para tener en cuenta la forma en que las turbinas eólicas interactúan entre sí; a medida que el viento se mueve a través de ellas, las turbinas crean estelas que pueden interferir con el rendimiento de las turbinas aguas abajo. Llegaron a la conclusión de que el parque eólico podría generar al menos 8.760 millones de kilovatios hora al año, o energía suficiente para 770.000 hogares.

Un problema con los modelos actuales es que no representan con precisión la variabilidad del viento, no solo a nivel del suelo, sino incluso a cientos de metros por encima del nivel de las turbinas eólicas. Investigaciones recientes sugieren que en algunas condiciones climáticas, los modelos pueden subestimar drásticamente las pérdidas por estela, dice Michael Drunsic, consultor senior de DNV KEMA, que ayuda a los desarrolladores a estimar la producción de energía eólica. Las estelas llevan mucho más lejos de lo que se había estimado anteriormente, dice. Este no es un gran problema en los parques eólicos que tienen solo una fila, como los que siguen las crestas. Pero con grandes parques eólicos con múltiples filas, las estelas más largas podrían afectar a muchas turbinas eólicas, reduciendo su producción.

Este tipo de hallazgos pueden afectar la disposición de las turbinas eólicas, especialmente en parques eólicos más grandes con muchas filas de turbinas. Charles Meneveau, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Johns Hopkins, ha desarrollado modelos de la forma en que los parques eólicos muy grandes perturban el aire hasta un kilómetro por encima de ellos. Basándose en algunas de sus simulaciones, ha demostrado que las turbinas deberían estar colocadas dos veces más separadas de lo habitual para aprovechar al máximo el viento. Pero dice que sus modelos actuales todavía no pueden predecir con precisión el rendimiento de un gran parque eólico; solo miran el rendimiento en velocidades promedio del viento, y el rendimiento de la turbina eólica puede variar mucho según las diferencias en las condiciones del viento, dice.

Sin embargo, aunque los nuevos modelos informáticos están identificando desafíos para los grandes parques eólicos, también traen buenas noticias, dice Meneveau. Ha demostrado, por ejemplo, que las turbulencias, si bien pueden ser un problema, también son esenciales para los grandes parques eólicos. Sin ninguna turbulencia, las primeras filas de un parque eólico esencialmente bloquearían el viento, limitando el número de filas que podrían instalarse. Mostró que las turbulencias en realidad arrastran el viento desde arriba del parque eólico. Como resultado, la última fila de un parque eólico, si bien obtiene algo menos de energía que la primera fila, aún puede generar electricidad, siempre que las turbinas eólicas estén adecuadamente espaciadas. La mala noticia es que para los grandes parques eólicos, la gente no sabía muy bien cómo manejar las turbulencias, dice. La buena noticia es que puede hacer que la granja sea tan grande como desee, porque puede extraer aire desde arriba.

Meneveau dice que los modelos también se pueden utilizar para optimizar el diseño y el funcionamiento de las turbinas eólicas. Los que están en la primera fila, por ejemplo, podrían estar programados para orientar sus palas para permitir que pase más viento, mejorando así el rendimiento de las turbinas en las filas siguientes y aumentando así la producción de todo el parque eólico. Se están llevando a cabo investigaciones relacionadas en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado (ver Nuevos diseños están llevando la energía eólica al siguiente nivel y ¿Las turbinas verticales aprovecharán más el viento?).

Los modelos informáticos mejorados serán cruciales para reducir el costo de la energía eólica, dice Drunsic. Cuanto más precisos sean los modelos y cuanto más seguro pueda ser un desarrollador, menor será el costo de financiamiento, dice.

esconder