«Διδάσκοντας» τις ανεμογεννήτριες να είναι λιγότερο «εγωκεντρικές» ενισχύει την παραγωγικότητα τους
Σύνταξη – Επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης
Μια ενημέρωση λογισμικού μπορεί να βοηθήσει τις ανεμογεννήτριες να γίνουν λιγότερο ενοχλητικές για τους γείτονές τους και να διανείμουν τον άνεμο πιο αποτελεσματικά.
Οι ανεμογεννήτριες στρέφονται προς τον άνεμο – παρόμοια με έναν νεαρό ηλίανθο που στρέφεται προς τον ήλιο για να πιάσει το φως – προκειμένου να μεγιστοποιήσουν την ενέργεια που παράγουν. Αν και πιθανότατα δεν είναι εμφανές, η κεφαλή μιας ανεμογεννήτριας μπορεί να περιστραφεί από αριστερά προς τα δεξιά στην κορυφή του πύργου της για να αξιοποιήσει στο έπακρο τον διαθέσιμο άνεμο.
Αυτό συμβαίνει επειδή η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου αλλάζουν συχνά. Οι διακυμάνσεις της πίεσης και της θερμοκρασίας του αέρα, καθώς και η περιστροφή της Γης, επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο φυσάει ο άνεμος καθώς και το πόση ενέργεια μπορεί να συλληφθεί. Σταθερά χαρακτηριστικά του τοπίου – κοιλάδες, λόφοι, δάση και κτίρια – επηρεάζουν επίσης την κατεύθυνση και τη δύναμη του ανέμου. Όμως υπάρχει ένα σταθερό χαρακτηριστικό που είναι ιδιαίτερα ενοχλητικό: οι άλλες ανεμογεννήτριες.
Αν δει κανείς πώς αλλάζει το νερό όταν ταξιδεύει σε ένα σκάφος, διαπιστώνει ότι αφήνει στην επιφάνεια πίσω του ένα σχηματισμό κυμάτων. Αυτό το φυσικό φαινόμενο είναι γνωστό ως φαινόμενο ανατάραξης και αποτελεί σημαντική πρόκληση για τα αιολικά πάρκα. Όταν ο άνεμος ρέει μέσα από μια τουρμπίνα για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια, δημιουργείται μια ανατάραξη, που καθιστά τον άνεμο που χρησιμοποιούν οι άλλες τουρμπίνες πίσω από αυτήν, πιο αργό και με μεγαλύτερο στροβιλισμό. Μια μελέτη του 2009 υπολόγισε πως, αν αθροιστούν αυτές οι επιπτώσεις σε ένα ολόκληρο αιολικό πάρκο, η συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μειώνεται κατά 10 έως 20%.
Ένας πρόσφατος αλγόριθμος έδειξε πώς η προσαρμογή του προσανατολισμού των τουρμπινών σε ένα αιολικό πάρκο με συντονισμένο τρόπο, μπορεί να μειώσει το φαινόμενο ανατάραξης και να ενισχύσει τη συνολική απόδοση. Οι ανεμογεννήτριες «είναι εξαιρετικά καλά σχεδιασμένες για να λειτουργούν μεμονωμένα», λέει ο Michael Howland, ο οποίος ηγήθηκε αυτής της έρευνας, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature Energy. Αλλά «όταν οι ανεμογεννήτριες εξάγουν ενέργεια, γνωρίζουμε ότι υπάρχει αμέσως λιγότερη διαθέσιμη ισχύς στον άνεμο πίσω από κάθε μια από αυτές», συνεχίζει. Επειδή στα αιολικά πάρκα, σχεδόν πάντα, οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται κοντά η μία στην άλλη, αυτό είναι ένα μεγάλο πρόβλημα.
«Ο εισερχόμενος άνεμος είναι διαφορετικός σε κάθε τοποθεσία», λέει ο Howland, επίκουρος καθηγητής Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. «Επίσης η κατεύθυνση του ανέμου αλλάζει διαρκώς στο χρόνο. Και έτσι η τουρμπίνα πρέπει να αντιδράσει σε αυτό» συμπληρώνει. Τυπικά, οι ανεμογεννήτριες ανταποκρίνονται μεμονωμένα στις αλλαγές του ανέμου, στρεφόμενες απευθείας προς αυτόν για να προσπαθήσουν να μεγιστοποιήσουν τη δική τους παραγωγή, χωρίς να λαμβάνουν υπόψη την ανατάραξη που δημιουργούν πίσω τους. Αυτός ο «εγωισμός» είναι που οδηγεί σε συνολική απώλεια ενέργειας.
Για να μειώσει αυτές τις απώλειες, ο αλγόριθμος του Howland και της ομάδας του χρησιμοποιεί πρώτα την ατμοσφαιρική φυσική και τα επιχειρησιακά δεδομένα των αιολικών πάρκων – όπως η θερμοκρασία και οι συνθήκες ανέμου – για να εκτιμήσει τις αναταράξεις που δημιουργούν οι τουρμπίνες και πώς αυτές επηρεάζουν άλλες τουρμπίνες. Στη συνέχεια, ο αλγόριθμος προβλέπει τρόπους διευθέτησης των τουρμπινών έτσι ώστε να είναι λιγότερο ενοχλητικές για τους άλλους. Η περιστροφή της κεφαλής μιας τουρμπίνας με σκοπό να βλέπει τον επερχόμενο άνεμο υπό μια ελαφριά γωνία, για παράδειγμα, αλλάζει την κατεύθυνση της ανατάραξης που παράγει και μειώνει την έκθεση σε αυτήν, των τουρμπινών που βρίσκονται από πίσω. Ενώ η στρατηγική μπορεί να μειώσει ελαφρώς την παραγωγή των ανεμογεννητριών που βρίσκονται μπροστά, καθώς δεν αντιμετωπίζουν τον άνεμο εντελώς μετωπικά, αυξάνει την παραγωγή αυτών που βρίσκονται πίσω και το συνολικό αποτέλεσμα είναι καθαρό κέρδος στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Το πόση ακριβώς ενέργεια κερδίζεται εξαρτάται από παράγοντες όπως η διάταξη του πάρκου και οι συνθήκες ανέμου της τοποθεσίας. Ωστόσο, όταν δοκιμάστηκε σε ένα αιολικό πάρκο στην Ινδία, ο αλγόριθμος αύξησε την παραγωγή ενέργειας, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, μεταξύ 1 και 3% – η οποία θα ισοδυναμούσε με τροφοδοσία 3 εκατομμυρίων σπιτιών εάν το λογισμικό αναπτυσσόταν σε όλα τα υπάρχοντα πάρκα του κόσμου, εκτιμούν οι συγγραφείς της μελέτης.
Ένα από τα πλεονεκτήματα της προσέγγισης είναι η δυνατότητά της για επεκτασιμότητα στον πραγματικό κόσμο. «Συνήθως για να αυξήσει κανείς την απόδοση της μονάδας παραγωγής, χρειάζεται είτε να τοποθετήσει έναν μεγαλύτερο ρότορα ή μια πιο ισχυρή ανεμογεννήτρια ή πρέπει να αλλάξει μέρος του υλικού», λέει ο Xavi Vives, μηχανικός ελέγχου στην κατασκευάστρια ανεμογεννητριών Siemens Gamesa. «Αλλά το περί ου ο λόγος είναι καθαρό λογισμικό και επομένως είναι πολλά υποσχόμενο με πολύ χαμηλό κόστος», προσθέτει.
Για τον Varun Sivaram, έναν από τους συν-συγγραφείς της μελέτης, ο οποίος εκείνη την εποχή υπηρετούσε ως επικεφαλής τεχνολογίας στη ReNew Power – κορυφαία εταιρεία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας της Ινδίας – η δοκιμή της τεχνολογίας στην Ινδία ήταν επίσης σημαντική. «Ήθελα να βρω έναν τρόπο να μεταφράσω μια τεχνολογία από την εργαστηριακή κλίμακα σε ένα πραγματικό πείραμα. Ήθελα επίσης να το κάνω σε μια αναδυόμενη οικονομία γιατί εκεί είναι η πραγματική ανάγκη για λύσεις καθαρής ενέργειας – σε αυτές τις αναδυόμενες οικονομίες όπου η ζήτηση ενέργειας αυξάνεται», λέει ο ίδιος.
Εκτός από την αύξηση της ισχύος των ανεμογεννητριών, ο αλγόριθμος θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τα αιολικά πάρκα, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής των ανεμογεννητριών και μειώνοντας τη φθορά τους – κάτι που μπορεί να μειώσει την απόδοσή τους με την πάροδο του χρόνου. «Πιστεύω ότι το πιο σημαντικό συμπέρασμα από τη μελέτη τους είναι ότι εάν μπορεί κανείς να εξομαλύνει τα φορτία, εάν μπορεί πραγματικά να αφήσει περισσότερο άνεμο να περάσει στις επόμενες τουρμπίνες, θα μειώσει τη φθορά στην πρώτη τουρμπίνα», λέει ο Mark. Z. Jacobson, καθηγητής πολιτικών και περιβαλλοντικών μηχανικών στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Ο Vives συμφωνεί: «Όσο υψηλότερος είναι ο στροβιλισμός, τόσο μεγαλύτερη είναι η φθορά… εάν μπορεί κανείς να μειώσει ή να αποτρέψει την ανατάραξη, τότε δίνει επίσης περισσότερη χαλάρωση στις τουρμπίνες, ώστε να μπορούν να λειτουργούν επί μακρότερο», προσθέτει.
Ενώ η μελέτη έδειξε πολλά υποσχόμενη, ο Jacobson πιστεύει ότι χρειάζονται περαιτέρω πειράματα προτού μπορέσει να κυκλοφορήσει το λογισμικό, καθώς η αρχική δοκιμή επικεντρώθηκε σε μια εγκατάσταση που περιλαμβάνει τρεις τουρμπίνες υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν άπειρες πιθανές διαμορφώσεις τουρμπινών, ταχύτητες ανέμου και τοπογραφίες, εξηγεί. «Νομίζω ότι πρέπει να δοκιμάσουν πιο σύνθετες διαμορφώσεις και να προσπαθήσουν να βρουν γενικούς κανόνες που να ισχύουν ανεξάρτητα από αυτές», λέει. «Δεν θέλει κανείς να προσπαθήσει να βελτιστοποιήσει κάθε τουρμπίνα και κάθε πάρκο», συμπληρώνει.
Καθώς η αιολική ενέργεια κλιμακώνεται, ο Sivaram πιστεύει ότι αλγόριθμοι όπως αυτός θα χρειαστούν για να παραχθεί όσο το δυνατόν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια. Οι ιδανικές τοποθεσίες γης για αιολικά πάρκα απαιτούν συγκεκριμένες συνθήκες – μέρη με πολύ μεγάλες ταχύτητες ανέμου και άφθονη έκταση γης, προκειμένου να τοποθετηθούν οι ανεμογεννήτριες σε απόσταση μεταξύ τους. Το μέλλον όμως, είναι πιθανό να δει ανεμογεννήτριες να τοποθετούνται κοντά, καθώς η γη γίνεται λιγότερο διαθέσιμη.
Οι υπεράκτιες αιολικές τοποθεσίες μπορούν να βοηθήσουν στην παράκαμψη αυτής της πρόκλησης και μπορούν να χρησιμοποιήσουν ανεμογεννήτριες που είναι ψηλότερες και μεγαλύτερες, επιτρέποντας τη δέσμευση περισσότερης ενέργειας. Αλλά η κλιμάκωση αναζωπυρώνει το πρόβλημα ανατάραξης, «επειδή οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των τουρμπινών κλιμακώνονται με τη διάμετρο του ρότορα», λέει ο Howland. « Για τις υπεράκτιες τουρμπίνες, με τα τεράστια πτερύγια τους, για να απαλλαγούμε εντελώς από τις αλληλεπιδράσεις ανατάραξης, θα χρειαστεί να τοποθετήσουμε τουρμπίνες σε απόσταση αρκετών χιλιομέτρων μεταξύ τους», προσθέτει. Αυτό αυξάνει την τιμή της μίσθωσης της περιοχής για το πάρκο και της κατασκευής των γραμμών μεταφοράς που συνδέουν τις τουρμπίνες μεταξύ τους και με το δίκτυο. Η χρήση ενός αλγορίθμου για την ενίσχυση της απόδοσης όταν οι τουρμπίνες είναι πιο κοντά μεταξύ τους θα μπορούσε να είναι μια καλύτερη εναλλακτική λύση.
Η εύρεση λύσεων σε τέτοιου είδους ζητήματα θα αξίζει φυσικά τον κόπο. Ο άνεμος και η ηλιακή ενέργεια είναι μερικές από τις ασφαλέστερες και καθαρότερες πηγές ενέργειας, και είναι «πιθανώς τα κύρια εργαλεία μας για να φτάσουμε στο καθαρό μηδέν», λέει ο Sivaram, ο οποίος τώρα υπηρετεί ως ανώτερος σύμβουλος του John Kerry, ειδικού προεδρικού απεσταλμένου των ΗΠΑ για το κλίμα. Οι πράσινες πηγές ενέργειας πρέπει να βελτιστοποιηθούν, γιατί όσο περνούν τα χρόνια, θα βασιζόμαστε σε αυτές όλο και περισσότερο – όχι μόνο για τις παραδοσιακές μας ανάγκες ενέργειας, εξηγεί ο Sivaram, αλλά για να τροφοδοτούμε ηλεκτρικά οχήματα, βιομηχανίες που βαίνουν προς την ηλεκτροκίνηση και τεχνολογίες στις οποίες θα μπορούσαμε να βασιστούμε, όπως η δέσμευση άνθρακα ή η αφαλάτωση του νερού.
Στο μέλλον, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας «θα παράγουν τη μερίδα του λέοντος της ηλεκτρικής ενέργειας του κόσμου», λέει ο Sivaram, επομένως «κάθε επιπρόσθετη έστω και λίγη ενέργεια που μπορούμε να αντλήσουμε από τον ήλιο και τον άνεμο μετράει» ολοκληρώνει.
Πηγή: WIRED
