Майкл Хаулэнд сидел в своем кабинете в Массачусетском технологическом институте, просматривая в режиме реального времени данные с ветряной электростанции, расположенной в 7000 милях от него на северо-западе Индии, когда он заметил нечто странное: некоторые турбины не производили ожидаемого количества электроэнергии.
Хаулэнд, доцент кафедры гражданского и экологического строительства Эстер и Гарольд Э. Эдгертон, изучает физику земной атмосферы и то, как эта информация может оптимизировать системы возобновляемой энергии. Для этого он и его команда разрабатывают и используют прогнозные модели, суперкомпьютерные симуляции и реальные данные с ветряных электростанций, таких как индийская.
Глобальный рынок ветроэнергетики является одним из самых экономически конкурентоспособных и устойчивых источников энергии во всем мире, сообщил в прошлом году Глобальный совет по ветроэнергетике. В 2020 году наблюдался рекордный рост ветроэнергетических мощностей благодаря резкому увеличению количества установок в Китае и США. Однако в предстоящее десятилетие ветроэнергетика должна расти в три раза быстрее, чтобы справиться с наихудшими последствиями изменения климата и достичь климатических целей на федеральном уровне и уровне штатов, говорится в докладе.
"Оптимальная конструкция ветропарка и получаемая в результате стоимость энергии зависят от ветра", - говорит Хауленд. "Но ветропарки часто размещаются и проектируются на основе краткосрочных исторических климатических данных".
В октябре 2021 года Хаулэнд получил грант Фонда посевного финансирования от MIT Energy Initiative (MITEI), чтобы учесть, как изменение климата может повлиять на ветер будущего. "Наши первые результаты показывают, что учет неопределенности ветров при проектировании и эксплуатации ветропарков может привести к более надежному производству энергии", - говорит он.
Совсем недавно Хауленд и его команда разработали модель, которая предсказывает мощность, производимую каждой отдельной турбиной, на основе физики ветропарка в целом. Эта модель позволяет принимать решения, которые могут повысить общую производительность фермы.
Состояние планеты
Детство Хаулэнда, выросшего в пригороде Филадельфии, сына нейробиологов, не отличалось особой активностью на природе. Позже он стал заядлым туристом и глубоко ценил природу, но задание в девятом классе заставило его задуматься о состоянии планеты, возможно, впервые.
Учитель истории попросил класс написать доклад об изменении климата. "Я помню, как спорил со своими одноклассниками о том, является ли человек главной причиной изменения климата, но учитель не хотел вступать в эти дебаты", - вспоминает Хаулэнд. "Он сказал, что изменение климата происходит, независимо от того, согласны вы или нет с тем, что оно антропогенное, и хотел, чтобы мы подумали о последствиях глобального потепления и о путях его решения. Я был одним из его энергичных защитников".
В рамках исследовательской стажировки после первого курса колледжа Хаулэнд посетил ветряную электростанцию в Айове, где ветер производит более половины электроэнергии в штате. "С шоссе турбины выглядят высокими, но когда находишься под ними, то поражаешься их масштабам", - говорит он. "Именно здесь ты понимаешь, насколько они колоссальны". (Не будучи поклонником высоты, Хаулэнд решил не подниматься по внутренней лестнице турбины, чтобы сфотографировать ее сверху).
Получив степень бакалавра в Университете Джонса Хопкинса и степени магистра и доктора философии в области машиностроения в Стэнфордском университете, он поступил на факультет гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института, чтобы сосредоточиться на пересечении механики жидкости, погоды, климата и моделирования энергии. Его целью является совершенствование систем возобновляемой энергии.
Дополнительным бонусом работы в Массачусетском технологическом институте является возможность вдохновить следующее поколение, как это сделал для него его учитель истории в девятом классе. Курс Хауленда по изучению атмосферного пограничного слоя предназначен в первую очередь для инженеров и физиков, но, по его мнению, изменение климата - это настолько междисциплинарная и сложная проблема, что "каждый набор навыков, существующий в человеческом обществе, может быть полезен для ее смягчения".
"Есть физические и инженерные вопросы, над которыми в основном работает наша лаборатория, но есть также вопросы, связанные с социальными науками, общественным признанием, разработкой политики и реализацией", - говорит он. "Карьера в области возобновляемых источников энергии быстро растет. Сейчас гораздо больше вакансий, чем мы можем нанять. Во многих областях у нас пока не хватает людей для решения проблем в области возобновляемой энергетики и смягчения последствий изменения климата, которые необходимо решить".
"Я призываю своих студентов - да вообще всех, с кем я общаюсь, - найти способ повлиять на проблему изменения климата", - говорит он.
Необычные условия
Осенью 2021 года Хаулэнд пытался объяснить странные данные, поступающие из Индии.
Основываясь на данных датчиков, системы управления ветряных турбин, управляемые программным обеспечением, постоянно корректируют скорость и угол наклона лопастей, а также так называемое рысканье - ориентацию гигантских лопастей по отношению к направлению ветра.
Существующие турбины коммунального масштаба управляются "жадно", что означает, что каждая турбина в ферме автоматически поворачивается против ветра, чтобы максимизировать собственное производство электроэнергии.
Хотя турбины в первом ряду индийской ветряной электростанции правильно реагировали на направление ветра, их выходная мощность была разной. "Это не то, что мы ожидали, основываясь на существующих моделях", - говорит Хаулэнд.
Эти массивные турбинные башни возвышались на 100 метров, примерно на длину футбольного поля, с лопастями длиной с олимпийский бассейн. В своей наивысшей точке кончики лопастей вздымались в небо почти на 200 метров.
Кроме того, скорость самих лопастей: Кончики лопастей движутся во много раз быстрее ветра, примерно 80-100 метров в секунду - до четверти или трети скорости звука.
Используя современный датчик, измеряющий скорость набегающего ветра до его взаимодействия с массивными роторами, команда Хауленда увидела неожиданно сложный эффект воздушного потока. Он освещает это явление в своем классе. По его словам, данные, поступающие из Индии, демонстрируют "весьма примечательные ветровые условия, обусловленные эффектом вращения Земли и физикой плавучести, которые не всегда можно увидеть".
Традиционно ветряные турбины работают в самых нижних 10 процентах атмосферного пограничного слоя - так называемом поверхностном слое - на который в первую очередь влияют условия на земле. Хаулэнд понял, что индийские турбины работают в тех областях атмосферы, куда турбины исторически не имели доступа.
Тенденция к повышению
Хаулэнд знал, что взаимодействие воздушных потоков может сохраняться на протяжении километров. Взаимодействие сильного ветра с турбинами в первом ряду создавало волнения в воздухе, аналогичные тому, как лодки создают волнения на воде.
Чтобы решить эту проблему, модель Хауленда обменивает эффективность наветренных турбин на эффективность наветренных. За счет смещения некоторых наветренных турбин в определенных условиях, наветренные установки испытывают меньшую турбулентность, что увеличивает общее производство энергии ветропарка на 1-3%, не требуя дополнительных затрат. Если бы увеличение энергии на 1,2 процента было применено к существующим в мире ветропаркам, это было бы эквивалентно добавлению более 3600 новых ветряных турбин - достаточно, чтобы обеспечить энергией около 3 миллионов домов.
Даже скромное увеличение может означать меньшее количество турбин, генерирующих ту же мощность, или возможность размещения большего количества установок на меньшей площади, поскольку негативное взаимодействие между турбинами может быть уменьшено.
Хауленд говорит, что модель может предсказать потенциальные выгоды в различных сценариях для разных типов ветряных электростанций. "Важным и интересным является то, что это не только для данной ветряной электростанции. Мы можем применить метод коллективного управления ко всему парку ветропарков", - говорит он, - которые становятся все выше и шире.
По прогнозам, к 2035 году средняя высота ступицы морских турбин в США вырастет со 100 метров до примерно 150 метров - до высоты монумента Вашингтона.
"Поскольку мы продолжаем строить более крупные ветряные турбины и более крупные ветропарки, нам необходимо пересмотреть существующую практику их проектирования и управления", - говорит Хауленд. "Мы можем использовать наши прогностические модели для обеспечения строительства и эксплуатации наиболее эффективных возобновляемых генераторов".
Взгляд в будущее
У Хауленда и других наблюдателей за климатом есть основания для оптимизма после принятия в августе 2022 года Закона о снижении инфляции, который призывает к значительным инвестициям в отечественное производство энергии и к сокращению выбросов углерода примерно на 40 процентов к 2030 году.
Но Хаулэнд говорит, что самого закона недостаточно. "Нам необходимо продолжать расширять сферу исследований и разработок, а также внедрение", - говорит он. Модель, которую он создал вместе со своей командой, может помочь, особенно для морских ветропарков, испытывающих низкую турбулентность ветра и более сильное взаимодействие с волнами.
Морской ветер может столкнуться с проблемами общественного признания. Хауленд считает, что исследователи, политики и представители энергетической отрасли должны приложить больше усилий, чтобы привлечь общественность к этой проблеме путем открытого диалога с общественностью, разъяснительной работы и образования.
Однажды Хауленд написал и проиллюстрировал детскую книгу, вдохновленную книгой доктора Сьюза "Лоракс", которая была посвящена возобновляемым источникам энергии. Хаулэнд вспоминает свои "действительно ужасные иллюстрации", но он считает, что в этом что-то было. "Мне было весело помогать людям в более раннем возрасте общаться с альтернативной энергией более естественным образом, - говорит он, - и понимать, что это не гнусные технологии, а замечательные подвиги человеческой изобретательности".
https://news.mit.edu/2023/michael-howland-gives-wind-energy-lift-0324
