Il y a vingt ans, l'énergie éolienne était principalement une industrie de niche qui a contribué pour moins de 1 % à la demande totale d'électricité aux États-Unis. Le vent est depuis apparu comme un concurrent sérieux dans la course au développement propre, sources d'énergie renouvelables qui peuvent alimenter le réseau et répondre à la demande énergétique mondiale toujours croissante. L'année dernière, l'énergie éolienne a fourni 7 % de la demande d'électricité domestique, et à travers le pays, à la fois sur terre et en mer, les sociétés énergétiques ont installé des turbines géantes qui atteignent plus haut et plus large que jamais.

"L'énergie éolienne va être une composante très importante de la production d'électricité, " a déclaré l'ingénieur Jonathan Naughton à l'Université du Wyoming, à Laramie. Il a reconnu que les sceptiques doutent de la viabilité des sources d'énergie renouvelables comme l'éolien et le solaire, car elles dépendent des conditions météorologiques et sont de nature variable, et donc difficile à contrôler et à prévoir. "C'est vrai, " il a dit, "mais il existe des moyens de surmonter cela."

Naughton et Charles Meneveau à l'Université Johns Hopkins de Baltimore, Maryland, a organisé un mini-symposium à la 73e réunion annuelle de la division de la dynamique des fluides de l'American Physical Society, où les chercheurs ont décrit les promesses et les défis de la dynamique des fluides de l'énergie éolienne.

Pour que l'énergie éolienne soit utile et acceptée, les chercheurs doivent concevoir des systèmes à la fois efficaces et peu coûteux, dit Naughton. Il s'agit de mieux comprendre les phénomènes physiques qui régissent les éoliennes, à toutes les échelles. Il y a trois ans, Le National Renewable Energy Laboratory (NREL) du département américain de l'Énergie a réuni 70 experts du monde entier pour discuter de l'état de la science. En 2019, le groupe a publié de grands défis scientifiques qui doivent être relevés pour que l'énergie éolienne contribue jusqu'à la moitié de la demande d'électricité.

L'un de ces défis était de mieux comprendre la physique de la partie de l'atmosphère où fonctionnent les turbines. "Le vent est vraiment un problème de mécanique des fluides atmosphériques, ", a déclaré Naughton. "Mais comment le vent se comporte aux niveaux où les turbines fonctionnent est toujours un domaine où nous avons besoin de plus d'informations."

Les turbines d'aujourd'hui ont des pales qui peuvent s'étirer de 50 à 70 mètres, dit Paul Veers, Ingénieur en chef au National Wind Technology Center de NREL, qui a donné un aperçu des défis au cours du symposium. Ces tours s'élèvent à 100 mètres ou plus au-dessus de leurs environs. "Au large, ils deviennent encore plus gros, " a déclaré Veers.

L'avantage de construire de plus grosses turbines est qu'une centrale éolienne aurait besoin de moins de machines pour construire et entretenir et pour accéder aux vents puissants au-dessus du sol. Mais les centrales électriques géantes fonctionnent à une échelle qui n'a pas été bien étudiée, dit Veers.

"Nous avons une très bonne capacité à comprendre et à travailler avec l'atmosphère à très grande échelle, " a déclaré Veers. " Et des scientifiques comme Jonathan et Charles ont fait des travaux incroyables avec la dynamique des fluides pour comprendre les petites échelles. Mais entre ces deux là, il y a un domaine qui n'a pas été beaucoup étudié."

Un autre défi sera d'étudier la dynamique structurelle et systémique de ces machines tournantes géantes. Les vents interagissent avec les pales, qui se plient et se tordent. Les lames en rotation donnent lieu à des nombres de Reynolds élevés, "Et ce sont des domaines où nous n'avons pas beaucoup d'informations, " dit Naughton.

Des approches informatiques puissantes peuvent aider à révéler la physique, dit Veers. "Nous poussons vraiment les méthodes de calcul aussi loin que possible, " a-t-il dit. " Cela nous amène aux ordinateurs les plus rapides et les plus gros qui existent actuellement. "

Un troisième défi, Naughton a noté, consiste à étudier le comportement de groupes de turbines. Chaque turbine produit un sillage dans l'atmosphère, et à mesure que ce sillage se propage en aval, il interagit avec les sillages d'autres turbines. Les sillages peuvent se combiner; ils peuvent également interférer avec d'autres turbines. Ou quoi que ce soit d'autre dans la région. « S'il y a des terres agricoles sous le vent, nous ne savons pas comment le changement du flux atmosphérique l'affectera, " dit Naughton.

Il a qualifié l'énergie éolienne de "problème d'échelle ultime". Parce qu'il relie des problèmes à petite échelle comme les interactions des turbines avec l'air à des problèmes à grande échelle comme la modélisation atmosphérique, l'énergie éolienne nécessitera l'expertise et la contribution d'une variété de domaines pour relever les défis. « Le vent est l'une des formes d'énergie les moins chères, " a déclaré Naughton. " Mais à mesure que la technologie mûrit, les questions deviennent plus difficiles."