Supercomputing fremtidig vindkraftstigning

Vindkraft steg på verdensplan i 2019, men vil det holde? Mere end 340, 000 vindmøller genereret over 591 gigawatt globalt. I USA, vinddrevne, hvad der svarer til 32 millioner hjem og opretholdt 500 amerikanske fabrikker. Hvad mere er, i 2019 voksede vindkraften med 19 procent, takket være både blomstrende offshore- og onshore-projekter i USA og Kina.

En undersøgelse fra Cornell University-forskere brugte supercomputere til at se ind i fremtiden for, hvordan man kan gøre et endnu større spring i vindkraftkapaciteten i USA.

"Denne forskning er den første detaljerede undersøgelse designet til at udvikle scenarier for, hvordan vindenergi kan udvides fra de nuværende niveauer på syv procent af den amerikanske elforsyning for at nå målet på 20 procent inden 2030, som er skitseret af US Department of Energy National Renewable Energy Laboratory (NREL) ) i 2014, " sagde studiemedforfatter Sara C. Pryor, professor ved Institut for Jord- og Atmosfæriske Studier, Cornell University. Pryor og medforfattere offentliggjorde vindkraftstudiet i Nature Videnskabelige rapporter , februar 2020.

Cornell-undersøgelsen undersøgte plausible scenarier for, hvordan udvidelsen af ​​installeret kapacitet af vindmøller kan opnås uden brug af yderligere jord. Deres resultater viste, at USA kunne fordoble eller endda firdoble den installerede kapacitet med ringe ændring af effektiviteten i hele systemet. Hvad mere er, den ekstra kapacitet ville have meget lille indvirkning på det lokale klima. Dette opnås delvist ved at implementere næste generation, større vindmøller.

Undersøgelsen fokuserede på en potentiel faldgrube om, hvorvidt tilføjelse af flere møller i et givet område kan reducere deres produktion eller endda forstyrre det lokale klima, et fænomen forårsaget af det, der omtales som 'vindmøllevåger'. Som vandvågen bag en motorbåd, vindmøller skaber et kølvand af langsommere, hakkende luft, der til sidst spreder sig og genvinder sit momentum.

"Denne effekt har været genstand for omfattende modellering af industrien i mange år, og det er stadig en meget kompleks dynamik at modellere, " sagde Pryor.

Forskerne udførte simuleringer med den meget udbredte Weather Research Forecasting (WRF) model, udviklet af Nationalt Center for Atmosfærisk Forskning. De anvendte modellen over den østlige del af USA, hvor halvdelen af ​​den nuværende nationale vindenergikapacitet er placeret.

"Vi fandt derefter placeringen af ​​alle 18, 200 vindmøller, der opererer i det østlige USA sammen med deres mølletype, " sagde Pryor. Hun tilføjede, at disse steder er fra 2014-data, da NREL-studiet blev offentliggjort.

"For hver vindmølle i denne region, vi bestemte deres fysiske dimensioner (højde), strøm, og trykkurver, så vi for hver 10-minutters simuleringsperiode kan bruge en vindmølleparkparameterisering inden for WRF til at beregne, hvor meget strøm hver turbine ville generere, og hvor omfattende deres kølvand ville være, " sagde hun. Strøm og kølvand er begge en funktion af vindhastigheden, der rammer møllerne, og hvad den lokale klimapåvirkning ville være nær overfladen. De udførte simuleringerne med en netopløsning på 4 km gange 4 km for at give detaljerede oplysninger lokal information.

Forfatterne valgte to sæt simuleringsår, fordi vindressourcerne varierer fra år til år som følge af naturlig klimavariabilitet. "Vores simuleringer er udført i et år med relativt høje vindhastigheder (2008) og en med lavere vindhastigheder (2015/16), " sagde Pryor, på grund af den årlige variation i klimaet fra El Nino-Sydlige Oscillation. "Vi udførte simuleringer for en base case i begge år uden tilstedeværelse/handling af vindmøller, så vi kan bruge dette som en reference, som de beskriver påvirkningen fra vindmøller på lokale klimaer, " sagde Pryor.

Simuleringerne blev derefter gentaget for en vindmølleflåde fra 2014, derefter for fordoblet installeret kapacitet og firdoblet installeret kapacitet, som repræsenterer den nødvendige kapacitet for at opnå de 20 procent af elforsyningen fra vindmøller i 2030.

"Ved at bruge disse tre scenarier kan vi vurdere, hvor meget strøm der ville blive genereret fra hver situation, og dermed om den elektriske elproduktion er lineært proportional med den installerede kapacitet, eller hvis produktionstabet på grund af vågner ved meget høje indtrængningsniveauer begynder at mindske effektiviteten, " sagde Pryor.

Disse simuleringer er enormt beregningskrævende. Simuleringsdomænet er over 675 gange 657 gitterceller i det vandrette og 41 lag i det lodrette. "Alle vores simuleringer blev udført i Department of Energy's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) beregningsressource kendt som Cori. Simuleringer præsenteret i vores papir forbrugte over 500, 000 CPU-timer på Cori og tog over et kalenderår at gennemføre på NERSC Cray. Denne ressource er designet til massivt parallel databehandling, men ikke til analyse af det resulterende simuleringsoutput, " sagde Pryor.

"Dermed, alle vores analyser blev udført på XSEDE Jetstream-ressourcen ved hjælp af parallel behandling og big data-analyse i MATLAB, " tilføjede Pryor. The Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), tildeler supercomputerressourcer og ekspertise til forskere og er finansieret af National Science Foundation (NSF).

Det NSF-finansierede Jetstream cloud-miljø er understøttet af Indiana University, University of Arizona, og Texas Advanced Computing Center (TAC). Jetstream er en konfigurerbar computerressource i stor skala, der udnytter både on-demand og vedvarende virtuel maskinteknologi til at understøtte en meget bredere vifte af softwaremiljøer og tjenester, end de nuværende NSF-ressourcer kan rumme.

"Vores arbejde er uden fortilfælde i detaljeringsgraden i vindmøllebeskrivelserne, brugen af ​​selvkonsistente fremskrivninger for øget installeret kapacitet, studiedomænestørrelse, og varigheden af ​​simuleringerne, " sagde Pryor. Men hun anerkendte, at usikkerhed er den bedste måde at parametrisere vindmøllernes påvirkning af atmosfæren og specifikt nedstrøms genvinding af vågner.

Teamet arbejder i øjeblikket på, hvordan man designer, prøve, udvikle, og forbedre vindmølleparameteriseringer til brug i WRF. Cornell-teamet havde for nylig en publikation om denne sag i Journal of Applied Meteorology and Climatology, hvor alle analyser blev udført på XSEDE-ressourcer (denne gang på Wrangler, et TACC-system) og har anmodet om yderligere XSEDE-ressourcer for yderligere at fremme denne forskning.

Vindenergi kan spille en større rolle i at reducere kuldioxidemissioner fra energiproduktion, ifølge undersøgelsens forfattere. Vindmøller tilbagebetaler deres livslange kulstofemissioner i forbindelse med deres installation og fremstilling på tre til syv måneders drift. Det svarer til næsten 30 års næsten kulstoffri elproduktion.

"Vores arbejde er designet til at informere om udvidelsen af ​​denne industri og sikre, at det bliver gjort på en måde, der maksimerer energiproduktionen fra vind og dermed fortsætter tendensen til lavere omkostninger til energi fra vind. Dette vil gavne kommercielle og private elbrugere ved at sikre fortsat 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."