La quantité d'énergie produite par les énergies renouvelables fluctue en fonction de la variabilité naturelle des ressources à un moment donné. Le soleil ne brille pas toujours, et le vent ne souffle pas toujours, les centrales électriques traditionnelles doivent donc continuer à fonctionner, prêt à combler le manque d'énergie à tout moment. Parce que la grille n'a pas de stockage, et contrairement au charbon ou au nucléaire, il n'y a aucun contrôle sur la production fluctuante d'énergie renouvelable, l'énergie qu'ils produisent doit être consommée immédiatement, ou risquer de faire s'effondrer le réseau électrique. Les jours particulièrement venteux, par exemple, les surtensions générées par les éoliennes sont connues pour submerger le réseau électrique, provoquant des pannes de courant. Pour éviter cela, les exploitants de grandes centrales ont parfois recours à des consommateurs payants pour utiliser l'électricité les jours particulièrement ensoleillés et venteux lorsqu'il y a trop de puissance excédentaire dans le système, afin d'équilibrer l'offre et la demande d'énergie sur le réseau.

Faire face aux pics et aux creux des énergies renouvelables intermittentes deviendra de plus en plus difficile à mesure que les gouvernements tenteront d'éliminer progressivement les sources d'énergie au charbon plus stables au cours des prochaines décennies. Afin d'atténuer ou de gérer ces fluctuations des énergies renouvelables, nous devons mieux comprendre la nature de ces fluctuations. Professeur Mahesh Bandi, Le directeur de l'unité d'interactions collectives de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) a utilisé la théorie de la turbulence combinée à des données expérimentales sur les éoliennes pour expliquer la nature statistique des fluctuations de l'énergie éolienne dans un article à auteur unique publié dans Lettres d'examen physique .

Les modèles de vitesse du vent peuvent être représentés sous la forme d'un spectre de vitesse du vent sur un graphique. En 1941, Le physicien russe Andrei Kolmogorov a élaboré le spectre des fluctuations de la vitesse du vent. Ensuite, il a été montré que le spectre de l'énergie éolienne suit exactement le même schéma. Cependant, jusqu'à maintenant, on a simplement supposé que ces spectres étaient identiques en raison de la relation entre la puissance et la vitesse, où la puissance est égale à la vitesse du vent au cube. Mais cela s'est avéré être un faux-fuyant. Le professeur Bandi a montré pour la première fois que le spectre des fluctuations de l'énergie éolienne suit le même schéma que les fluctuations de la vitesse du vent pour une raison différente.

Le résultat de Kolmogorov de 1941 s'applique aux mesures de la vitesse du vent effectuées en plusieurs points distribués dans l'espace en même temps. Mais les fluctuations de l'énergie éolienne au niveau d'une éolienne sont mesurées à un endroit fixe sur une période de temps prolongée. Les deux mesures sont fondamentalement différentes, et en tenant soigneusement compte de cette différence, Le professeur Bandi a pu expliquer le spectre des fluctuations de l'énergie éolienne pour une éolienne individuelle.

Nous pouvons considérer la turbulence comme une boule d'air, ou un « fouet », de la vitesse du vent fluctuante. Longue échelle de temps, les tourbillons à basse fréquence peuvent s'étendre sur des centaines de kilomètres. À l'intérieur de ces grands tourbillons se trouvent des échelles de temps plus courtes, des tourbillons à haute fréquence pouvant s'étendre sur quelques kilomètres. Par conséquent, si toutes les éoliennes d'une même centrale éolienne tombent dans les mêmes tourbillons à court et à long terme, l'énergie qu'ils produisent fluctue comme si toute la centrale n'était qu'une turbine géante. C'est exactement ce que le professeur Bandi a découvert lorsqu'il a examiné les fluctuations de l'énergie éolienne de toutes les turbines d'une centrale éolienne au Texas.

En réalité, même les centrales éoliennes dispersées géographiquement peuvent présenter des fluctuations corrélées de la puissance si elles tombent dans les mêmes tourbillons à court et à long terme. Cependant, à mesure que la distance entre les éoliennes augmente, leurs fluctuations de puissance commencent à se découpler les unes des autres. Deux centrales éoliennes géographiquement dispersées peuvent rencontrer les mêmes fluctuations de la vitesse du vent à longue échelle tout en rencontrant des fluctuations de la vitesse du vent à plus courte échelle complètement distinctes.

Autrefois, certains scientifiques ont sous-estimé le problème des turbulences, en faisant valoir que la puissance produite par des éoliennes géographiquement dispersées dans des endroits venteux et calmes à un moment donné sera moyenne lorsqu'elles atteindront un réseau centralisé. Cependant, Les découvertes du professeur Bandi montrent pour la première fois, que ce phénomène, connu sous le nom de « lissage géographique », ne fonctionne que dans une certaine mesure.

La puissance générée par les centrales à turbines géographiquement dispersées est en moyenne à des fréquences élevées, parce que tandis qu'une plante peut tomber dans le tourbillon à court terme, l'autre peut-être pas. En d'autres termes, l'augmentation de la puissance de sortie d'une usine est moyennée par un creux de la puissance de sortie d'une autre, plante lointaine à hautes fréquences. Mais parce que les plantes tombent toujours dans le même tourbillon à longue échelle, la puissance qu'ils produisent aura des fluctuations corrélées aux basses fréquences. Une montée en puissance d'une éolienne coïncidera avec la montée en puissance d'une centrale éloignée dans le même tourbillon à long terme, ce qui signifie que la puissance qu'ils alimentent le réseau ne peut pas être moyennée. Cela signifie qu'il existe une limite naturelle à la moyenne des fluctuations de l'énergie éolienne; une limite au-delà de laquelle les fluctuations peuvent continuer à faire des ravages sur le réseau. En utilisant les données de 20 centrales éoliennes au Texas et de 224 parcs éoliens en Irlande, le professeur Bandi a montré que cette limite existe en réalité.

« Comprendre la nature des fluctuations de la puissance des éoliennes a des implications immédiates pour la prise de décision économique et politique, " dit le professeur Bandi.

En raison de la variabilité des énergies renouvelables, les centrales à charbon fournissant de l'énergie d'appoint sont maintenues en service en cas de coupure de courant soudaine, ce qui signifie que plus d'énergie est produite que nécessaire. Cela signifie que l'énergie « verte » contribue toujours aux émissions de carbone, et il y a un coût associé au maintien de l'énergie de réserve, qui ne fera qu'augmenter à mesure que la proportion d'énergies renouvelables augmentera dans les années à venir. La découverte d'une limite dans le lissage géographique, articulé par le professeur Bandi, permettra de mieux estimer le montant opérationnel des réserves à maintenir.

Cette découverte aura également un impact sur la politique environnementale. En considérant la limite pour faire la moyenne des fluctuations de puissance, combinée à la disponibilité de différentes ressources renouvelables telles que le soleil, le vent et les vagues dans une zone particulière, les décideurs politiques seront mieux équipés pour élaborer des combinaisons optimales de différentes sources d'énergie pour des régions spécifiques

"Comprendre la nature des fluctuations pour les éoliennes pourrait aussi ouvrir d'autres voies de recherche dans d'autres systèmes fluctuants, " dit le professeur Bandi.