Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Nghiên cứu chi tiết đầu tiên về các kịch bản về cách năng lượng gió có thể mở rộng tới 20% tổng nguồn cung điện của Hoa Kỳ vào năm 2030. Kết quả cho thấy việc mở rộng công suất lắp đặt ảnh hưởng nhỏ đến hiệu quả và khí hậu địa phương bằng cách triển khai các tuabin gió thế hệ tiếp theo lớn hơn. Cải thiện tính toán tài nguyên gió của Hoa Kỳ có thể đảm bảo đưa ra quyết định tốt hơn và cung cấp năng lượng tốt hơn, mạnh mẽ hơn.
Năng lượng gió đã tăng mạnh trên toàn thế giới vào năm 2019 nhưng liệu nó có thể duy trì? Hơn 340.000 tuabin gió đã tạo ra hơn 591 gigawatt trên toàn cầu. Ở Mỹ, gió cung cấp năng lượng tương đương với 32 triệu ngôi nhà và duy trì 500 nhà máy ở Mỹ. Hơn nữa, năm 2019 năng lượng gió đã tăng 19 phần trăm nhờ cả các dự án ngoài khơi và trên bờ đang bùng nổ ở Mỹ và Trung Quốc.
Một nghiên cứu của các nhà nghiên cứu của Đại học Cornell đã sử dụng siêu máy tính để xem xét tương lai về cách tạo ra một bước nhảy lớn hơn nữa về công suất điện gió ở Mỹ
Đồng tác giả nghiên cứu Sara C. Pryor, giáo sư Khoa Nghiên cứu Trái đất và Khí quyển, Đại học Cornell cho biết: “Nghiên cứu này là nghiên cứu chi tiết đầu tiên được thiết kế để phát triển các kịch bản về cách năng lượng gió có thể mở rộng từ mức 7% nguồn cung cấp điện hiện tại của Hoa Kỳ để đạt được mục tiêu 20% vào năm 2030 do Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (NREL đưa ra ) vào năm 2014. “.
Pryor và đồng tác giả đã công bố nghiên cứu năng lượng gió trong Báo cáo khoa học tự nhiên trong tháng 2 năm 2020.
Nghiên cứu của Cornell đã điều tra các kịch bản hợp lý về cách mở rộng công suất lắp đặt của tuabin gió có thể đạt được mà không cần sử dụng thêm đất. Kết quả của họ cho thấy Mỹ có thể tăng gấp đôi hoặc thậm chí gấp bốn lần công suất lắp đặt mà ít thay đổi về hiệu quả trên toàn hệ thống. Hơn nữa, công suất bổ sung sẽ tạo ra những tác động rất nhỏ đến khí hậu địa phương. Điều này đạt được một phần bằng cách triển khai các tuabin gió thế hệ tiếp theo lớn hơn.
Nghiên cứu tập trung vào một cạm bẫy tiềm tàng về việc liệu việc thêm nhiều tua-bin vào một khu vực nhất định có thể làm giảm sản lượng của chúng hay thậm chí phá vỡ khí hậu địa phương, một hiện tượng gây ra bởi cái gọi là ‘tuabin gió đánh thức’. Giống như nước phía sau một chiếc thuyền máy khi khởi động, các tuabin gió tạo ra một luồng không khí chậm chạp rồi cuối cùng lan rộng và lấy lại động lượng của nó.
Hiệu ứng này đã được mô hình hóa rộng rãi bởi ngành công nghiệp trong nhiều năm, và nó vẫn là một động lực rất phức tạp để mô hình hóa.
Các nhà nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng với mô hình Dự báo nghiên cứu thời tiết (WRF) được sử dụng rộng rãi và phát triển bởi Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia. Họ đã áp dụng mô hình trên khu vực phía đông của Hoa Kỳ, nơi có một nửa công suất năng lượng gió quốc gia hiện tại.
Sau đó nhóm của Pryor đã tìm thấy vị trí của tất cả 18.200 tuabin gió hoạt động ở miền đông Hoa Kỳ cùng với loại tuabin của chúng nói. Cô nói thêm rằng những địa điểm đó là từ dữ liệu năm 2014 khi nghiên cứu NREL được công bố.
Đối với mỗi tuabin gió trong khu vực này, nhóm của Pryor đã xác định kích thước vật lý (chiều cao), công suất và đường cong lực đẩy của chúng để trong mỗi giai đoạn mô phỏng 10 phút, họ có thể sử dụng tham số hóa trang trại gió trong WRF để tính toán công suất mỗi tuabin sẽ tạo ra và sự trỗi dậy của họ sẽ rộng đến mức nào. Sức mạnh và đánh thức đều là một chức năng của tốc độ gió đập vào các tuabin và tác động của khí hậu gần bề mặt địa phương sẽ là gì. Họ đã tiến hành mô phỏng ở độ phân giải lưới 4 km x 4 km để cung cấp thông tin địa phương chi tiết.
Các tác giả đã chọn hai bộ năm mô phỏng vì tài nguyên gió thay đổi từ năm này sang năm khác do kết quả của biến đổi khí hậu tự nhiên. Mô phỏng của các nhà khoa học được tiến hành trong một năm với tốc độ gió tương đối cao (2008) và một mô phỏng có tốc độ gió thấp hơn (2015/16), vì sự biến đổi liên tục của khí hậu từ El Nino-Nam Dao động. Nhóm đã thực hiện mô phỏng cho một trường hợp cơ sở trong cả hai năm mà không có sự hiện diện / hành động của tuabin gió để họ có thể sử dụng nó làm tài liệu tham khảo cũng như mô tả tác động của tuabin gió đối với khí hậu địa phương.
Các mô phỏng sau đó đã được lặp lại cho một đội tuabin gió vào năm 2014, sau đó cho công suất lắp đặt tăng gấp đôi và công suất lắp đặt tăng gấp bốn lần, thể hiện công suất cần thiết để đạt được 20% nguồn cung cấp điện từ các tuabin gió vào năm 2030.
Sử dụng ba kịch bản này, nhóm của Pryor có thể đánh giá được sẽ tạo ra bao nhiêu năng lượng từ mỗi tình huống và do đó, nếu việc sản xuất năng lượng điện tỷ lệ tuyến tính với công suất lắp đặt hoặc nếu ở mức độ thâm nhập rất cao, việc mất sản xuất do ‘thức giấc’ bắt đầu giảm hiệu quả.
Những mô phỏng này là đòi hỏi tính toán ồ ạt. Miền mô phỏng có hơn 675 x 657 ô lưới theo chiều ngang và 41 lớp theo chiều dọc. Tất cả các mô phỏng của nhóm đã được thực hiện trong Trung tâm tính toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia (NERSC) của Bộ Năng lượng, được gọi là Cori. Mô phỏng được trình bày trong bài báo của họ đã tiêu tốn hơn 500.000 giờ CPU trên Cori và mất một năm theo lịch để hoàn thành trên NERSC Cray. Tài nguyên đó được thiết kế để tính toán song song ồ ạt nhưng không phải để phân tích kết quả đầu ra mô phỏng.
Do đó, tất cả các phân tích của nhóm đã được thực hiện trên tài nguyên XSEDE Jetflow bằng cách sử dụng xử lý song song và phân tích dữ liệu lớn trong MATLAB. Môi trường khám phá khoa học và kỹ thuật cực đoan (XSEDE) đã trao giải tài nguyên và chuyên môn siêu máy tính cho các nhà nghiên cứu và được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia (NSF).
Môi trường đám mây Jetstream do NSF tài trợ được hỗ trợ bởi Đại học Indiana, Đại học Arizona và Trung tâm điện toán nâng cao Texas (TACC). Jetstream là một tài nguyên điện toán quy mô lớn có thể định cấu hình, tận dụng cả công nghệ máy ảo theo yêu cầu và bền bỉ để hỗ trợ một loạt các môi trường và dịch vụ phần mềm rộng hơn nhiều so với tài nguyên NSF hiện tại có thể đáp ứng.
Pryor chia sẻ thêm: “Công việc của chúng tôi là chưa từng có ở mức độ chi tiết trong các mô tả tuabin gió, việc sử dụng các phép chiếu tự phù hợp để tăng công suất lắp đặt, kích thước miền nghiên cứu và thời lượng mô phỏng”. Tuy nhiên, cô thừa nhận sự không chắc chắn là cách tốt nhất để tham số hóa hoạt động của các tuabin gió trên bầu khí quyển và đặc biệt là sự phục hồi của dòng thức giấc.
Nhóm hiện đang nghiên cứu cách thiết kế, thử nghiệm, phát triển và cải thiện các tham số hóa trang trại gió để sử dụng trong WRF. Nhóm Cornell gần đây đã có một ấn phẩm về vấn đề này trên Tạp chí Khí tượng học và Khí hậu học ứng dụng, nơi tất cả các phân tích được thực hiện trên các tài nguyên XSEDE (lần này trên Wrangler, một hệ thống TACC) và đã yêu cầu thêm các tài nguyên XSEDE để tiếp tục nghiên cứu.
Các tác giả nghiên cứu cho biết năng lượng gió có thể đóng vai trò lớn hơn trong việc giảm lượng khí thải carbon dioxide từ sản xuất năng lượng. Tua bin gió trả lại lượng khí thải carbon trọn đời liên quan đến việc triển khai và chế tạo trong ba đến bảy tháng hoạt động. Điều này lên tới gần 30 năm phát điện gần như không có carbon.
“Công việc của chúng tôi được thiết kế để thông báo cho việc mở rộng ngành công nghiệp này và đảm bảo nó được thực hiện theo cách tối đa hóa sản lượng năng lượng từ gió và do đó tiếp tục xu hướng giảm chi phí năng lượng từ gió. Điều này sẽ có lợi cho người sử dụng điện thương mại và trong nước bằng cách tiếp tục Giá điện thấp trong khi giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu bằng cách chuyển sang cung cấp năng lượng carbon thấp, “Pryor nói.
Các hệ thống năng lượng rất phức tạp và các trình điều khiển khí quyển của các nguồn năng lượng gió thay đổi theo quy mô thời gian từ vài giây đến nhiều thập kỷ. Để hiểu đầy đủ nơi đặt tua-bin gió và tuabin gió nào để triển khai đòi hỏi thời gian dài, độ trung thực cao và mô phỏng số độ phân giải cao trên các hệ thống máy tính hiệu năng cao. Việc tính toán tốt hơn tài nguyên gió tại các địa điểm trên khắp Hoa Kỳ có thể đảm bảo đưa ra quyết định tốt hơn và cung cấp năng lượng tốt hơn, mạnh mẽ hơn.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Texas tại Austin, Trung tâm Điện toán Nâng cao Texas . Bản gốc được viết bởi Jorge Salazar. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :