Ricerca

Decarbonizzare l’elettricità è essenziale per limitare i cambiamenti climatici, ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e migliorare la sicurezza energetica. Ma più un sistema elettrico si affida a vento e sole, più diventa esposto alla variabilità meteorologica e a un clima che cambia. Questa ricerca si chiede come progettare sistemi elettrici profondamente decarbonizzati che restino affidabili di fronte a rischi climatici crescenti.

Ho mostrato che la flessibilità del sistema determina la localizzazione ottimale della generazione eolica e fotovoltaica distribuita, e che il valore di nuova capacità passa dalla quantità alla qualità dell’energia fornita man mano che la sua quota cresce (Antonini et al. 2021, 2022). Ho contribuito ad analizzare quanti anni di dati meteorologici storici servono per pianificare sistemi eolici, fotovoltaici e di accumulo a costo minimo che soddisfino la domanda in modo affidabile (Ruggles et al. 2024). E per fornire ai modellisti i dati di cui questo lavoro ha bisogno, ho prodotto oltre un secolo di serie temporali aperte di domanda e offerta elettrica guidate da meteo e clima (Antonini et al. 2024).

Questa ricerca si chiede cosa controlli la potenza che i parchi eolici di scala regionale possono estrarre e, più in generale, quanto l’energia eolica sia disponibile e affidabile nel mondo. Il limite alla densità di potenza dei parchi eolici molto estesi è fissato dalla velocità con cui l’atmosfera rigenera l’energia cinetica sottratta dalle turbine.

Con simulazioni atmosferiche ed espressioni analitiche, ho mostrato come i gradienti di pressione atmosferica e il parametro di Coriolis, che dipende dalla latitudine, controllino la densità di potenza dei grandi parchi eolici (Antonini et al. 2021a). Ho poi individuato la scala spaziale alla quale un parco eolico raggiunge il suo limite di produzione: una spiegazione fisica di come scalano i parchi eolici e un vincolo spaziale all’espansione su larga scala dell’eolico (Antonini et al. 2021b). Più di recente, un’analisi globale delle siccità di vento ha mostrato dove la produzione eolica è più affidabile (Antonini et al. 2024).

La posizione delle turbine è una delle scelte progettuali più importanti per un nuovo parco eolico. Estraendo energia dal vento, ogni turbina lascia una scia che rallenta le turbine a valle e riduce la produzione annua del parco. Il mio lavoro su modellazione numerica e ottimizzazione progettuale ha affrontato questo problema.

Ho analizzato come la modellazione della turbolenza influenzi le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) delle scie e fornito raccomandazioni per il loro uso (Antonini et al. 2016, 2018a). Ho mostrato che l’incertezza sulla direzione del vento spiega buona parte della consueta differenza tra le previsioni CFD della velocità nelle scie e le misure in campo (Antonini et al. 2019). Per portare la CFD nella progettazione, ho sviluppato un metodo aggiunto che calcola i gradienti per l’ottimizzazione a una frazione del costo abituale (Antonini et al. 2018b). Questo ha reso possibile, per la prima volta, ottimizzare parchi eolici su terreni complessi con condizioni ambientali e strutture di flusso realistiche (Antonini et al. 2020). Ho inoltre contribuito a un algoritmo di ottimizzazione del layout basato sull’inferenza probabilistica (Dhoot et al. 2021) e alla previsione delle perdite di scia con reti neurali convoluzionali profonde (Romero et al. 2024).

Modelli aerodinamici accurati sono essenziali per progettare bene le turbine eoliche. Durante la laurea magistrale ho lavorato su modelli numerici di turbine ad asse orizzontale e verticale. I loro metodi di progetto si basano di solito sulla teoria dell’elemento di pala, che è accurata solo quanto le curve di portanza e resistenza dei profili che utilizza.

Per verificarne l’accuratezza, ho esaminato e confrontato quattro database di coefficienti aerodinamici largamente usati per simulare turbine ad asse verticale, fornendo ai progettisti indicazioni pratiche per diverse dimensioni del rotore e condizioni di funzionamento (Bedon et al. 2014). Ho inoltre sviluppato modelli basati sulla teoria dei vortici per analizzare le prestazioni del rotore e supportare nuove procedure di progetto. Un modello a vortici discreti da me proposto ha simulato il complesso stallo dinamico delle pale in ottimo accordo con i dati sperimentali, con un costo computazionale ridotto (Antonini et al. 2015).