I parchi eolici cambiano il vento e alterano i calcoli energetici

Immaginate un campo infinito di turbine che volteggiano al ritmo del vento in un quadro apparentemente perfetto di energia pulita e sostenibile. Eppure un dettaglio sfugge all’occhio di chi osserva: quegli stessi generatori nel raccogliere energia alterano il flusso dell’aria che li attraversa.

Come i parchi eolici cambiano il vento è un’interazione invisibile che è stata a lungo trascurata nei calcoli ingegneristici, generando conseguenze economiche significative.

Una nuova ricerca rivela infatti che i modelli attuali sovrastimano la produzione di energia eolica perché non considerano un fenomeno fondamentale, i grandi parchi non si limitano a sfruttare il vento ma lo modificano profondamente alterando la struttura stessa del flusso d’aria.

Quando i parchi eolici cambiano il vento in un minuto

Grandi parchi eolici non si limitano a catturare il vento: lo modificano in profondità, alterando i flussi atmosferici nello strato limite. I modelli tradizionali ignorano questo effetto, sovrastimando la produzione energetica e generando perdite economiche. Un nuovo framework open source, TOSCA, simula con precisione queste interazioni, permettendo una progettazione più efficiente e sostenibile degli impianti. 

I ricercatori dimostrano che le turbine, in grandi gruppi, agiscono come una barriera dinamica che ridisegna il vento in arrivo. Questa scoperta rivela un limite critico nei metodi di previsione attuali. TOSCA offre ora uno strumento avanzato per ottimizzare layout, efficienza e redditività dei parchi eolici.

Lo strato invisibile che governa il vento

Tutto ha origine nello strato limite atmosferico, una sottile fascia d’aria compresa tra il suolo e alcune centinaia di metri di altezza dove la velocità del vento, la temperatura e la pressione cambiano sensibilmente con l’altitudine. Proprio in questo strato si consuma l’interazione tra la superficie terrestre e l’atmosfera circostante.

Quando il vento incontra un parco eolico vasto, non viene semplicemente rallentato dal passaggio attraverso le turbine. Le turbine trasformano la struttura del vento, generando scie turbolente e modificando il profilo del flusso a valle con effetti che si propagano a distanza.

I modelli tradizionali sviluppati per impianti di dimensioni contenute non riescono a riprodurre questi effetti su larga scala. Di conseguenza prevedono una produzione energetica superiore a quella reale, con stime talvolta lontane dal comportamento effettivo del sistema e dai risultati osservati in campo.

Quando un calcolo errato diventa un problema economico

Questa imprecisione nei modelli non rimane solo teorica né si limita all’ambito accademico. Per gli operatori di parchi eolici la sottovalutazione degli effetti di alterazione del vento si traduce in investimenti basati su aspettative irrealistiche e previsioni ottimistiche.

Se un parco produce meno energia di quanto previsto inizialmente, il ritorno economico si riduce, e in alcuni casi l’impianto può persino diventare antieconomico compromettendo la redditività dell’investimento. Il problema si aggrava significativamente con la crescente dimensione degli impianti moderni, oggi non è raro trovare parchi eolici con centinaia di turbine distribuite su decine di chilometri quadrati.

A queste scale, l’impatto collettivo delle turbine sul vento in arrivo diventa dominante e non più trascurabile. Non si tratta più di singoli ostacoli isolati, bensì di una barriera artificiale in grado di ridisegnare temporaneamente la dinamica locale dell’atmosfera e il regime dei venti.

Un nuovo modello per guardare oltre le singole turbine

Per affrontare questa sfida scientifica e ingegneristica, un team internazionale di ricercatori dell’Università della British Columbia Okanagan e della Delft University of Technology ha messo a punto TOSCA, acronimo di The Toolbox for Stratified Convective Atmospheres.

Si tratta di uno strumento open source che simula con grande accuratezza le interazioni tra ampi parchi eolici e l’atmosfera circostante, superando i limiti dei modelli precedenti. A differenza dei sistemi precedenti TOSCA non considera le turbine in modo isolato l’una dall’altra, bensì le integra in un contesto atmosferico coerente e realistico dove gli effetti collettivi si manifestano pienamente.

Ciò consente di riprodurre fenomeni complessi come la turbolenza su larga scala e le onde gravitazionali, quelle oscillazioni dell’aria generate dal passaggio del vento sopra ostacoli naturali e artificiali che influenzano non solo un singolo impianto ma anche quelli adiacenti attraverso effetti di interferenza.

Progettare parchi eolici più intelligenti e efficienti

Con strumenti di simulazione più precisi come TOSCA diventa possibile disporre le turbine in modo strategico e consapevole, sfruttando al meglio le correnti d’aria senza interferire eccessivamente l’una con l’altra creando perdite di rendimento.

Una progettazione attenta della distribuzione spaziale delle turbine può massimizzare l’efficienza complessiva del parco riducendo significativamente le perdite dovute alle scie turbolente e ai fenomeni di estirpamento del vento. Questo approccio orientato alla comprensione dei flussi non solo migliora la produzione energetica attesa ma consente anche di minimizzare l’impatto ambientale complessivo e il consumo di suolo necessario per l’impianto.

La chiave strategica sta nel considerare il parco non come un insieme di macchine identiche e indipendenti, bensì come un ecosistema fluido in cui ogni elemento turbina influenza il comportamento degli altri elementi circostanti attraverso interazioni atmosferiche complesse.

Verso un futuro più affidabile per l’energia rinnovabile

L’energia eolica è destinata a svolgere un ruolo centrale nella transizione energetica globale e nella decarbonizzazione dei sistemi energetici mondiali. Tuttavia la sua espansione richiede strumenti di previsione e simulazione sempre più affidabili e precisi per evitare sovrastime dei rendimenti.

Il framework TOSCA è un passo avanti significativo in questa direzione permettendo di modellare i parchi eolici con realismo. Essendo open source, lo strumento può essere adottato ampiamente dal settore privato e dalle istituzioni di ricerca, migliorando la qualità delle stime di producibilità e la sostenibilità economica dei nuovi progetti eolici.

Inoltre le capacità di simulazione offerte da TOSCA aprono nuovi spunti per comprendere fenomeni fisici complessi legati all’interazione tra impianti e atmosfera, con implicazioni che vanno ben oltre il singolo parco eolico estendendosi a sistemi multi-impianto.

Una collaborazione internazionale che soffia forte

Il successo nella creazione di TOSCA nasce da una collaborazione internazionale solida e ben coordinata che ha unito competenze provenienti dall’ingegneria, dalla meteorologia e dalle scienze computazionali.

Le simulazioni sono state rese possibili grazie alle infrastrutture di calcolo avanzato della Digital Research Alliance of Canada e dell’Advanced Research Computing della University of British Columbia che hanno fornito le risorse computazionali necessarie.

Il progetto ha ricevuto sostegno finanziario e organizzativo da Mitacs Globalink, UL Renewables e dal Consiglio Nazionale delle Ricerche Naturali e Ingegneristiche del Canada NSERC.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Wind Energy Science, segnando una tappa importante nella progettazione delle energie rinnovabili del futuro e aprendo nuove strade per lo sviluppo sostenibile dei parchi eolici.

Fonte:

• Earth.com

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