Рост численности населения мира и растущий спрос на энергетические услуги приведут к расширению использования чистых источников энергии. Ветроэнергетика уже играет роль главного источника электроэнергии, движимого десятилетиями научных открытий и технологических разработок. Дополнительные исследования и изучение вариантов использования необходимы для стимулирования инноваций, чтобы удовлетворить будущий спрос и обеспечить функциональность. Однако рост и расширение масштабов внедрения технологий приведут к тому, что они перейдут как в области науки, так и в области инженерной неопределенности.
Доступ к не дорогостоящей и чистой энергии будет иметь решающее значение для будущих достижений человечества и повышения глобального уровня жизни.
К 2050 году численность населения мира, по оценкам, достигнет 9,8 миллиарда человек по сравнению с 7,6 миллиарда человек в 2018 году. Кроме того, по оценкам Bloomberg New Energy Finance (BNEF), годовой мировой спрос на электроэнергию превысит 38 000 тераватт-часов в год к 2050 году по сравнению с ~25 000 тераватт-часами в 2018 году. (BNEF, NEO 2018 presentation at CSIS (2018)
Растет спрос на низкоуглеродные или нулевые технологии производства электроэнергии, равно как и потребность в электрификации других энергетических секторов, таких как отопление, охлаждение и транспорт. В результате этих двух частично связанных мега-тенденций в мире увеличивается спрос на дополнительные недорогие и экологически чистые источники. Благодаря доступу к природным ресурсам и нулевой стоимости топлива, а также исключительно низким выбросам загрязняющих веществ в атмосферу в течение срока службы, ветровая энергия может стать главным источником растущих потребностей мирового сообщества в экологически чистой энергии.
За последнее десятилетие стоимость трех источников электроэнергии - ветроэнергетики, солнечной энергии и природного газа - существенно снизилась. Привлекательность ветра и солнца заключается в том, что их низкий жизненный цикл обеспечивает здоровье населения и экологические преимущества. Специалисты по прогнозированию в области энергетики ожидают сохранения паритета цен между этими источниками, в результате чего к 2050 году поставки энергии ветра и солнца составят от одной до двух третей от общего спроса и доли энергии только ветра в мире (от одной четверти до одной трети). Использование тераватт ветровой энергии, которые могли бы стимулировать экономическую реализацию этих прогнозов и впоследствии перейти от сотен тераватт-часов в год к петаватт-часам в год из ветровых и солнечных ресурсов, принесет ряд дополнительных экономических и экологических выгод как местным, так и глобальным сообществам.
Однако, чтобы оставаться экономически привлекательным для инвесторов и потребителей, стоимость ветроэнергетики должна продолжать снижаться. Кроме того, по мере роста объемов использования ветровой и солнечной генерации переменной мощности возникают новые проблемы, связанные с достаточностью генерирующих мощностей на долгосрочной основе и краткосрочной балансировкой систем, что имеет решающее значение для поддержания стабильности и надежности будущей энергосети.
Многогранное будущее ветроэнергетики.
Будущее, в котором ветер будет составлять от одной трети до половины потребляемой электроэнергии, а местный уровень может превышать 100% местного спроса, потребует изменения парадигмы мышления, развития и управления электросетевой программой. Связанное с этим преобразование энергосистемы в сценарии с высоким уровнем использования возобновляемых источников энергии потребует одновременного управления большими объемами производства с переменной производительностью, обусловленной погодными условиями, а также эволюцией и динамикой моделей потребления.
Первым аспектом этой будущей системы считается наличие большого количества энергии с нулевыми предельными затратами, хотя и с неопределенными сроками. При обильных нулевых затратах большая гибкость электроэнергетической системы позволит конечным потребителям получить доступ к этим "дешевым" энергоресурсам. Примеры использования этой энергии могут включать:
- зарядка большого числа электромобилей;
- обеспечение не дорогостоящего хранения в масштабах системы (от потребителей до промышленных предприятий) и во времени (от дней до месяцев);
- использование в химических веществах или других промышленных продуктах (иногда называемые приложениями типа "Power-to-X").
2. Вторым аспектом этой будущей системы идет переход от электросетевой системы, ориентированной на традиционные синхронные электростанции, к той, в которой доминируют конвертеры. Эта последняя парадигма снижает физическую инерционность, обеспечиваемую традиционными электростанциями, и одновременно увеличивает зависимость от информационных и цифровых сигналов для поддержания надежности и качества электроэнергии в современной сети.
Актуальные проблемы в ветроэнергетических исследованиях.
В области ветроэнергетических исследований, ученые определяют три задачи, требующие дальнейшего прогресса со стороны научного сообщества:
- улучшение понимания физики атмосферного потока в критической зоне работы ветряных электростанций;
- аэродинамика, структурная динамика и ветровая гидродинамика отдельных турбин увеличенного размера;
- оптимизация и управление парками ветряных электростанций, включающими сотни отдельных генераторов.
Эти проблемы взаимосвязаны, поэтому прогресс в каждой области должен основываться на параллельных достижениях в двух других областях. Характеристика рабочей зоны ветряной электростанции в атмосфере будет иметь значение для проектирования ветряных турбин следующего поколения и достижения динамического управления машинами. Усовершенствованное прогнозирование характера атмосферного притока в дальнейшем позволит осуществлять контроль станции таким образом, который необходим для обеспечения функционирования энергосистемы.
Решение масштабных исследовательских задач в области ветроэнергетики позволит ветроэнергетической установке будущего удовлетворять ожидаемые потребности в электроэнергии при низких затратах. Взаимозависимость проблем требует расширения комплексных и междисциплинарных исследований. Методы обработки и упорядочения обмена огромными объемами информации по многим дисциплинам (экспериментальным и вычислительным) также будут иметь решающее значение для успешного проведения комплексных исследований. Кроме того, исследования в областях, связанных с вычислительной техникой и наукой о данных, помогут исследовательскому сообществу в стремлении к дальнейшей интеграции моделей и данных в различных масштабах и дисциплинах.