Κάνοντας μοντελοποίηση για τις συνθήκες ολόκληρου του αιολικού πάρκου και όχι για κάθε μεμονωμένη τουρμπίνα ξεχωριστά, οι μηχανικοί μπορούν να πάρουν περισσότερη ισχύ από τις υπάρχουσες εγκαταστάσεις.
Ο έλεγχος όλων σχεδόν των ανεμογεννητριών -οι οποίες παράγουν περισσότερο από το 5% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας- διενεργείται αντιμετωπίζοντάς τις ως μεμονωμένες, αυτόνομες μονάδες. Στην πραγματικότητα, η συντριπτική πλειοψηφία αποτελεί μέρος μεγαλύτερων εγκαταστάσεων αιολικών πάρκων, που περιλαμβάνουν δεκάδες ή και εκατοντάδες ανεμογεννήτριες, όπου η μία επηρεάζει την άλλη.
Οι μηχανικοί -στο MIT αλλά και αλλού- διαπίστωσαν πως η παραγωγή ενέργειας τέτοιων εγκαταστάσεων αιολικών πάρκων είναι δυνατόν να αυξηθεί, χωρίς να χρειάζεται καμία νέα επένδυση σε εξοπλισμό, μοντελοποιώντας τη ροή ανέμου για ολόκληρη την ομάδα των τουρμπινών και βελτιστοποιώντας, αναλόγως, τον έλεγχο μεμονωμένων μονάδων.
Η αύξηση στην παραγωγή ενέργειας από μια τέτοια εγκατάσταση ίσως να φαίνεται μικρή (περίπου 1,2% συνολικά και 3% για βέλτιστες ταχύτητες ανέμου). Ωστόσο, ο αλγόριθμος μπορεί να αναπτυχθεί σε οποιοδήποτε αιολικό πάρκο, των οποίων το πλήθος αυξάνεται ραγδαία για να επιτευχθούν οι κλιματικοί στόχοι. Εάν εφαρμοζόταν σε όλα τα υπάρχοντα αιολικά πάρκα του κόσμου, αυτή η αύξηση της ενέργειας κατά 1,2% , θα ισοδυναμούσε με την προσθήκη περισσότερων από 3.600 νέων ανεμογεννητριών ή με ενέργεια αρκετή για να τροφοδοτήσει περίπου 3 εκατομμύρια σπίτια, λένε οι ερευνητές. Και όλα αυτά ουσιαστικά χωρίς κόστος.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Energy. Μία μελέτη με επικεφαλής τον Michael F. Howland, επίκουρο καθηγητή Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής του MIT.
«Ουσιαστικά, ο έλεγχος όλων των υφιστάμενων ανεμογεννητριών εκτελείται “άπληστα” και ανεξάρτητα», λέει ο Howland. Όπως εξηγεί, ο όρος «άπληστα» αναφέρεται στο γεγονός ότι ελέγχονται ώστε να μεγιστοποιήσουν μόνο τη δική τους παραγωγή ενέργειας, σαν να ήταν μεμονωμένες μονάδες χωρίς να επηρεάζουν τις γειτονικές τους.
Στον πραγματικό κόσμο, όμως, οι ανεμογεννήτριες είναι σκόπιμα τοποθετημένες σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους σε αιολικά πάρκα, για να επιτευχθούν οικονομικά οφέλη που σχετίζονται με τη χρήση γης και με υποδομές, όπως δρόμοι πρόσβασης και γραμμές μεταφοράς. Αυτή η εγγύτητα σημαίνει πως οι τουρμπίνες συχνά επηρεάζονται έντονα από τις τυρβώδεις διαταραχές που παράγονται από αυτές που που βρίσκονται μπροστά τους – ένας παράγοντας που δεν λαμβάνεται υπόψη, επί του παρόντος, από τα συστήματα ελέγχου κάθε μεμονωμένης τουρμπίνας.
«Από την σκοπιά της ροής, όπως την εξετάζει η φυσική, η τοποθέτηση ανεμογεννητριών σε κοντινές μεταξύ τους θέσεις μέσα σε αιολικά πάρκα είναι συχνά το χειρότερο πράγμα που θα μπορούσατε να κάνετε», λέει ο Howland. «Η ιδανική προσέγγιση για τη μεγιστοποίηση της συνολικής παραγωγής ενέργειας θα ήταν να τις τοποθετήσουμε όσο το δυνατόν πιο μακριά», όμως αυτό θα αύξανε το σχετικό κόστος.
Και εδώ έρχεται η δουλειά του Howland και των συνεργατών του. Ανέπτυξαν ένα νέο μοντέλο ροής, το οποίο προβλέπει την παραγωγή ισχύος κάθε τουρμπίνας στο πάρκο ανάλογα με τους προσπίπτοντες ανέμους και τη στρατηγική ελέγχου της κάθε τουρμπίνας. Και ενώ βασίζεται στη ρευστομηχανική, το μοντέλο επίσης μαθαίνει από τα δεδομένα της λειτουργίας του αιολικού πάρκου να μειώνει το σφάλμα και την αβεβαιότητα της πρόβλεψης. Χωρίς να αλλάξουν τίποτα, σχετικά με τις φυσικές τοποθεσίες των ανεμογεννητριών και τον εξοπλισμό των υπαρχόντων αιολικών πάρκων, χρησιμοποίησαν την -βασισμένη στη φυσική, και υποβοηθούμενη από δεδομένα- μοντελοποίηση της ροής μέσα στο αιολικό πάρκο και την προκύπτουσα παραγωγή ισχύος κάθε τουρμπίνας, ώστε να υπολογίσουν τον βέλτιστο προσανατολισμό για κάθε στρόβιλο σε κάθε δεδομένη στιγμή και για δεδομένες συνθήκες ανέμου. Αυτό τους επιτρέπει να μεγιστοποιούν την παραγωγή από ολόκληρο το πάρκο, όχι μόνο καθεμίας από τις μεμονωμένες τουρμπίνες.
Σήμερα, η κάθε γεννήτρια ανιχνεύει διαρκώς την κατεύθυνση και την ταχύτητα του εισερχόμενου ανέμου και χρησιμοποιεί το λογισμικό εσωτερικού ελέγχου για να προσαρμόσει τη θέση της γωνίας εκτροπής (κάθετος άξονας) ώστε να ευθυγραμμιστεί όσο το δυνατόν καλύτερα με αυτόν. Στο νέο σύστημα, όμως, η ομάδα ανακάλυψε ότι στρέφοντας μια τουρμπίνα λίγο πιο μακριά από τη δική της θέση μέγιστης παραγωγής -π.χ. 20 μοίρες μακριά από τη δική της γωνία μεγιστοποίησης- η αύξηση της ισχύος που παράγεται από μία ή περισσότερες γεννήτριες που βρίσκονται πίσω από αυτήν αντισταθμίζει και υπερκαλύπτει την μικρή μείωση της παραγωγής από την πρώτη μονάδα. Χρησιμοποιώντας ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου που λαμβάνει υπόψη όλες αυτές τις αλληλεπιδράσεις, το σύνολο των ανεμογεννητριών μπόρεσε να λειτουργήσει σε επίπεδα ισχύος που ήταν έως και 32% υψηλότερα υπό ορισμένες συνθήκες.
Μέσω ενός πολύμηνου πειράματος σε ένα αιολικό πάρκο στην Ινδία, το μοντέλο πρόβλεψης επικυρώθηκε για πρώτη φορά, με δοκιμές επάνω σε ένα ευρύ φάσμα στρατηγικών προσανατολισμού εκτροπής, οι περισσότερες από τις οποίες ήταν σκόπιμα μη βέλτιστες. Δοκιμάζοντας πολλές στρατηγικές ελέγχου, συμπεριλαμβανομένων των μη βέλτιστων, τόσο στο πραγματικό πάρκο όσο και στο μοντέλο, οι ερευνητές μπορούσαν να προσδιορίσουν την αληθινή βέλτιστη στρατηγική. Είναι σημαντικό ότι το μοντέλο ήταν σε θέση να προβλέψει την παραγωγή ισχύος στο πάρκο και τη βέλτιστη στρατηγική ελέγχου για τις περισσότερες συνθήκες ανέμου που δοκιμάστηκαν, δίνοντας έτσι την βεβαιότητα πως οι προβλέψεις του μοντέλου θα παρακολουθούσαν την πραγματική βέλτιστη επιχειρησιακή στρατηγική για το πάρκο. Αυτό επιτρέπει τη χρήση του μοντέλου για τον σχεδιασμό των βέλτιστων στρατηγικών ελέγχου για νέες συνθήκες ανέμου και νέα αιολικά πάρκα χωρίς να χρειάζεται να εκτελούνται νέοι υπολογισμοί από την αρχή.
Στη συνέχεια, ένα δεύτερο -πολύμηνο επίσης- πείραμα στο ίδιο πάρκο, το οποίο εφάρμοσε μόνο τις βέλτιστες προβλέψεις ελέγχου από το μοντέλο, απέδειξε ότι τα αποτελέσματα του αλγόριθμου στον πραγματικό κόσμο θα μπορούσαν να φθάσουν τις συνολικές ενεργειακές βελτιώσεις που παρατηρήθηκαν στις προσομοιώσεις. Κατά μέσο όρο για όλη τη δοκιμαστική περίοδο, το σύστημα πέτυχε αύξηση 1,2% στην παραγωγή ενέργειας σε όλες τις ταχύτητες ανέμου και 3% αύξηση σε ταχύτητες μεταξύ 6 και 8 μέτρων ανά δευτερόλεπτο (περίπου 22 έως 29 χιλιόμετρα την ώρα).
Παρόλο που η δοκιμή διεξήχθη σε ένα αιολικό πάρκο, οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι το μοντέλο και η στρατηγική συνεργασίας ελέγχου μπορούν να εφαρμοστούν σε οποιοδήποτε υπάρχον ή μελλοντικό αιολικό πάρκο. Ο Howland εκτιμά πως, για τον υπάρχοντα αριθμό ανεμογεννητριών στον κόσμο, μια συνολική ενεργειακή βελτίωση κατά 1,2% θα παρήγαγε περισσότερες από 31 τεραβατώρες πρόσθετης ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως, κάτι που ισοδυναμεί με την εγκατάσταση 3.600 επιπλέον ανεμογεννητριών χωρίς κόστος.
Η ποσότητα ενέργειας που θα ληφθεί θα ποικίλλει αρκετά από το ένα αιολικό πάρκο στο άλλο, αναλόγως μίας σειρά παραγόντων, όπως είναι η απόσταση μεταξύ των μονάδων, η γεωμετρία της διάταξής τους και οι διακυμάνσεις στα μοτίβα του ανέμου σε αυτή τη περιοχή κατά τη διάρκεια του έτους. Όμως σε όλες τις περιπτώσεις, το μοντέλο που αναπτύχθηκε από την ομάδα μπορεί να παρέχει μια σαφή πρόβλεψη για το ποια είναι ακριβώς τα πιθανά κέρδη για μια δεδομένη τοποθεσία, λέει ο Howland. «Η στρατηγική βέλτιστου ελέγχου και το πιθανό κέρδος σε ενέργεια θα είναι διαφορετικά σε κάθε αιολικό πάρκο, γεγονός που μας παρακίνησε να αναπτύξουμε ένα μοντέλο πρόβλεψης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως, για βελτιστοποίηση όλων των υφιστάμενων μονάδων παραγωγής αιολικής ενέργειας», προσθέτει.
Το νέο σύστημα μπορεί να υιοθετηθεί γρήγορα και εύκολα, λέει ο ίδιος. «Δεν απαιτείται πρόσθετη εγκατάσταση υλικού. Το μόνο που χρειάζεται είναι μία αλλαγή λογισμικού, κάτι που μπορεί να επιφέρει μια σημαντική αύξηση στην παραγωγή ενέργειας.» Ακόμη και με μια βελτίωση κατά 1%, επισημαίνει, ένα τυπικό αιολικό πάρκο 100 περίπου μονάδων θα μπορούσε να έχει την ίδια απόδοση με μία τουρμπίνα λιγότερη, εξοικονομώντας έτσι το κόστος, συνήθως εκατομμύρια δολάρια, που σχετίζονται με την αγορά, την κατασκευή και την εγκατάσταση αυτής της μονάδας.
Επιπρόσθετα -σημειώνει- μειώνοντας τις απώλειες, ο αλγόριθμος θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την τοποθέτηση των ανεμογεννητριών πιο κοντά μεταξύ τους σε μελλοντικά αιολικά πάρκα, αυξάνοντας επομένως την πυκνότητα ισχύος της αιολικής ενέργειας και εξοικονομώντας χώρο σε ξηρά (ή θάλασσα). Η αύξηση της πυκνότητας ισχύος μαζί με την μείωση της απαιτούμενης έκτασης θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίτευξη των πιεστικών στόχων μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, οι οποίοι απαιτούν σημαντική επέκταση της ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας.
Τα περισσότερα νέα αιολικά πάρκα, σήμερα, στρέφονται προς την θάλασσα και «ο αντίκτυπος των απωλειών μετάδοσης είναι συχνά πολύ υψηλότερος στα υπεράκτια αιολικά πάρκα». Αυτό σημαίνει ότι τα οφέλη αυτής της νέας προσέγγισης στον έλεγχο αυτών των αιολικών πάρκων θα μπορούσε να είναι σημαντικά μεγαλύτερος.
«Η δημοσίευση αυτή, περιγράφει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για την αιολική ενέργεια», λέει ο Charles Meneveau, καθηγητής μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή την εργασία. «Περιλαμβάνει νέες ιδέες και μεθοδολογίες για τον αποτελεσματικό έλεγχο των ανεμογεννητριών συλλογικά, για έναν εξαιρετικά μεταβλητό πόρο όπως είναι αυτός της αιολικής ενέργειας. Δείχνει ότι οι έξυπνα εφαρμοσμένες στρατηγικές ελέγχου εκτροπής, χρησιμοποιώντας προηγμένα μοντέλα βασισμένα στη φυσική και συμπληρωμένα με προσεγγίσεις βάσει δεδομένων, μπορούν να αυξήσουν την παραγωγή ισχύος στα αιολικά πάρκα». Το γεγονός πως αυτό αποδείχθηκε σε ένα λειτουργικό αιολικό πάρκο, λέει, «είναι ιδιαίτερης σημασίας για τη διευκόλυνση της μετέπειτα υλοποίησης και κλιμάκωσης της προτεινόμενης προσέγγισης».
Παραπομπές: Collective wind farm operation based on a predictive model increases utility-scale energy production
Πηγή: https://news.mit.edu/
