Czy symulacja energii odnawialnej może poprawić niezawodność?

Przejście na zrównoważoną produkcję energii ma kluczowe znaczenie dla sprostania globalnym wyzwaniom klimatycznym i zmniejszenia zależności od paliw kopalnych. Wraz z postępem technologii energii odnawialnej, rośnie również potrzeba precyzji, wydajności i niezawodności w ich projektowaniu i wdrażaniu. Symulacja systemów produkcji energii odnawialnej jest podstawowym rozwiązaniem tego wyzwania.

Symulacja i analiza umożliwiają inżynierom wirtualne testowanie, optymalizację i walidację systemów energetycznych przed ich fizycznym wdrożeniem. Od poprawy wydajności aerodynamicznej turbin wiatrowych po zwiększenie wydajności paneli słonecznych i optymalizację systemów geotermalnych lub hydroelektrycznych, symulacja przyspiesza innowacje, jednocześnie minimalizując koszty i wpływ na środowisko. Korzystając z zaawansowanych narzędzi symulacyjnych, deweloperzy mogą tworzyć najnowocześniejsze rozwiązania, które napędzają rewolucję w dziedzinie energii odnawialnej i przyczyniają się do czystszej, bardziej zrównoważonej przyszłości.

Na tym blogu przyjrzymy się najskuteczniejszym metodom produkcji zielonej energii i postaramy się zrozumieć metody rozwoju stosowane w celu optymalizacji ich wydajności.

Energia słoneczna

Energia słoneczna jest jedną z najczystszych form energii, ponieważ nie emituje żadnych gazów cieplarnianych. Nie wytwarza również szkodliwych produktów ubocznych. Jest ona jednak nadal stosunkowo droga w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji energii. Systemy energii słonecznej są w stanie dostarczać energię elektryczną tylko wtedy, gdy są w pełni wystawione na działanie promieni słonecznych, co czyni je zawodnymi w nocy i dla osób mieszkających w regionach, w których zimą panuje długotrwała ciemność. Termiczna energia słoneczna jest bardziej niezawodna, ale obecnie nieefektywna.

Według badań NREL, panele słoneczne są niezwykle niezawodne i mają długą żywotność, a ich awaryjność wynosi zaledwie 0,05%. Co więcej, energia słoneczna nie wytwarza żadnych gazów cieplarnianych ani nie przyczynia się do globalnego ocieplenia, ponieważ polega jedynie na wychwytywaniu energii słonecznej i przekształcaniu jej w energię elektryczną (lub ciepłą wodę) do użytku w naszych domach. W ciągu jednego roku może to zmniejszyć wpływ przeciętnego domu na emisję dwutlenku węgla o 80%.

Ostatnie przełomowe odkrycia obejmują tandemowe ogniwa słoneczne, które nakładają warstwy materiałów perowskitowych na tradycyjne ogniwa krzemowe, osiągając rekordową wydajność ponad 33,9% w warunkach laboratoryjnych. Eksperci uważają, że technologie te mogą w przyszłości zwiększyć wydajność powyżej 45%, zmniejszając zapotrzebowanie na duże farmy słoneczne i czyniąc energię słoneczną bardziej dostępną.

W jaki sposób zaawansowane narzędzia symulacyjne napędzają innowacje w dziedzinie energii słonecznej?

Inżynierowie wykorzystują zaawansowane narzędzia symulacyjne do optymalizacji różnych aspektów produkcji energii słonecznej. Rozszerzalność cieplna i naprężenia strukturalne paneli słonecznych spowodowane wahaniami temperatury mogą być modelowane w celu zapewnienia długoterminowej niezawodności i zminimalizowania ryzyka zmęczenia materiału.

Symulacje elektromagnetyczne pomagają zoptymalizować zachowanie ogniw fotowoltaicznych, zwiększając absorpcję światła i zmniejszając straty energii spowodowane odbiciem lub zacienieniem. Dodatkowo, układy farm słonecznych mogą być symulowane poprzez analizę danych terenowych i wzorców nasłonecznienia, zapewniając optymalne rozmieszczenie paneli w celu maksymalnego wytwarzania energii.

Energia wiatrowa

Energia wiatrowa to kolejna forma energii odnawialnej, która jest wykorzystywana od wieków. W rzeczywistości turbiny wiatrowe zostały po raz pierwszy wynalezione w Chinach w czasach dynastii Tang (AD 618-907). Obecnie energia wiatrowa jest niedrogim źródłem energii, które staje się coraz bardziej popularne.

Ponieważ turbiny wiatrowe można łatwo zainstalować na morzu, energia wiatrowa jest często bardziej niezawodna niż energia słoneczna. Energia wiatrowa odnotowała w ostatnich latach bezprecedensowy wzrost, a globalna moc energii wiatrowej przekroczy 1 TW (terawat) w 2023 roku. Innowacje, takie jak modułowe konstrukcje turbin i wysokotemperaturowe generatory nadprzewodzące, zwiększają skalowalność i wydajność. Morskie farmy wiatrowe są obecnie wyposażone w turbiny o średnicy wirnika przekraczającej 300 metrów i mocy ponad 20 MW

Jak zrównoważona jest produkcja turbin wiatrowych? Cóż, Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej przewiduje, że do 2050 roku miliony ton zużytych łopat turbin będą ponownie wykorzystywane. Wynika to z braku komercyjnie opłacalnych rozwiązań w zakresie recyklingu i może być stosowane tylko wtedy, gdy pozwala na to żywotność i jakość.

Co imponujące, turbiny wiatrowe w 80-90% nadają się do recyklingu. Jednak wiele z obecnych kompozytowych łopat trafia na wysypiska śmieci. Aby temu przeciwdziałać, producent turbin, firma VESTAS, prowadzi badania nad technologiami recyklingu kompozytów w celu osiągnięcia zerowej ilości odpadów w turbinach wiatrowych do 2040 roku .

W jaki sposób zaawansowane narzędzia symulacyjne napędzają innowacje w energetyce wiatrowej?

Symulacje aerodynamiczne umożliwiają inżynierom modelowanie przepływu powietrza wokół łopatek turbiny, optymalizując ich kształt pod kątem maksymalnej wydajności energetycznej przy jednoczesnym zmniejszeniu oporu i hałasu. Analiza strukturalna pomaga ocenić naprężenia mechaniczne elementów turbiny w ekstremalnych warunkach pogodowych, zapewniając trwałość i niezawodność w całym cyklu życia turbiny. Dodatkowo, układy farm wiatrowych mogą być zoptymalizowane poprzez symulację wzorców przepływu wiatru przez teren, minimalizując efekty falowania i maksymalizując ogólną produkcję energii.

Energia wodna

Elektrownie wodne działają podobnie jak elektrownie węglowe. Obracając turbiny za pomocą siły wody, elektrownie wodne wytwarzają energię elektryczną. Na przykład para wodna wytwarzana podczas spalania węgla w elektrowni węglowej zasila turbiny, które następnie wytwarzają energię elektryczną. Woda jest wykorzystywana jako źródło energii w systemach hydroenergetycznych. Jednak najbardziej znanym rodzajem energii wodnej, zwykle określanym jako energia hydroelektryczna, jest duża tama, która przechowuje wodę w zbiorniku. Woda jest uwalniana ze zbiornika, gdy potrzebna jest energia, a następnie woda napędza turbiny w celu wytworzenia energii elektrycznej.

Energia wodna jest nie tylko opłacalnym źródłem odnawialnej energii elektrycznej, ale także jednym z najbardziej ekonomicznych źródeł energii. Ponadto energia wodna jest odporna na nieregularne wahania cen surowców energetycznych, ponieważ wykorzystuje samoodnawiającą się siłę rzek. Najnowsze innowacje obejmują systemy konserwacji predykcyjnej oparte na sztucznej inteligencji, które optymalizują operacje poprzez analizę wzorców pogodowych i prognoz popytu. Na popularności zyskują również hybrydowe systemy wodno-solarne, łączące pływające panele słoneczne z istniejącymi zbiornikami w celu zwiększenia wydajności w okresach suszy.

W jaki sposób zaawansowane narzędzia symulacyjne napędzają innowacje w dziedzinie hydroenergetyki?

Symulacje dynamiki płynów są wykorzystywane do optymalizacji projektów turbin, zapewniając maksymalne wydobycie energii z przepływu wody. Modelowanie strukturalne pomaga ocenić naprężenia na tamach i innej infrastrukturze spowodowane ciśnieniem wody i czynnikami środowiskowymi, zapewniając długoterminowe bezpieczeństwo i niezawodność. Symulacje wspierają również integrację systemów hybrydowych, takich jak pływające panele słoneczne na zbiornikach, analizując ich łączną wydajność w różnych warunkach.

Energia geotermalna

Energia geotermalna wykorzystuje ciepło ziemi do produkcji energii elektrycznej. Działa ona dobrze na obszarach o wysokich temperaturach, ponieważ różnica temperatur między gorącymi skałami pod ziemią a powierzchnią tworzy prąd elektryczny. Obecnie energia geotermalna jest w dużej mierze niewykorzystana. Szacuje się jednak, że geotermia może zaspokoić do 12% światowego zapotrzebowania na ogrzewanie, chłodzenie i energię elektryczną.

Jakie są zatem wyzwania, które musimy pokonać, aby skorzystać z tego praktycznie nieograniczonego źródła energii?

Produkcja energii geotermalnej może uwalniać gazy cieplarniane zmagazynowane pod powierzchnią ziemi. Wymaga również odpowiedniego zarządzania poprzez utrzymanie podziemnych zbiorników i wiąże się z jednym z najwyższych kosztów początkowych. Wszystko to jednak blednie w porównaniu z najbardziej kontrowersyjnym tematem dotyczącym energii geotermalnej. Szczelinowanie hydrauliczne, czyli fracking, to metoda wydobywania ropy naftowej, gazu ziemnego, energii geotermalnej lub wody z głębi ziemi.

Powszechnie przyjmuje się, że zrównoważona produkcja energii geotermalnej powinna być ograniczona do miejsc, w których jest ona naturalnie dostępna. Nie tylko ze względu na ryzyko wywołania trzęsień ziemi. Jednym z najbardziej aktywnych obszarów geotermalnych na świecie jest Pierścień Ognia, który otacza Ocean Spokojny. Jednak EGS (ulepszone systemy geotermalne) otwierają nowe możliwości, tworząc sztuczne zbiorniki na wcześniej niedostępnych obszarach. Systemy te mogą zwiększyć wydajność geotermalną dwudziestokrotnie do 2050 roku.

W jaki sposób zaawansowane narzędzia symulacyjne napędzają innowacje geotermalne?

Modelowanie podpowierzchniowe umożliwia inżynierom symulację przepływu płynów i wymiany ciepła w zbiornikach geotermalnych, optymalizując wydobycie ciepła przy jednoczesnym minimalizowaniu ryzyka, takiego jak aktywność sejsmiczna. Symulacje wymiany ciepła są wykorzystywane do poprawy konstrukcji wymienników ciepła w elektrowniach geotermalnych, maksymalizując wydajność i produkcję. Dodatkowo, procesy wiertnicze mogą być zoptymalizowane poprzez symulacje, które zwiększają precyzję i zmniejszają koszty, zapewniając bardziej efektywny dostęp do zasobów geotermalnych.

Podsumowanie

Im więcej korzystamy z odnawialnych źródeł energii, tym bardziej zyskuje na tym środowisko naturalne. Zmniejszają one naszą zależność od paliw kopalnych, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia i zanieczyszczenia powietrza. Są one jednak zależne od pogody, a ich energia jest trudniejsza do zmagazynowania. Chociaż energia wiatrowa pozostaje wysoce wydajna i opłacalna, zwłaszcza w przypadku projektów na dużą skalę, jej wydajność nie jest już niezrównana. Fotowoltaika szybko wypełnia lukę ze względu na postęp technologiczny i redukcję kosztów, podczas gdy geotermia oferuje najwyższą niezawodność w zakresie zasilania podstawowego. Wybór „najbardziej wydajnego” odnawialnego źródła energii zależy od czynników regionalnych, takich jak dostępność zasobów, infrastruktura i potrzeby energetyczne.

Dla deweloperów dążących do optymalizacji systemów energii odnawialnej niezbędne jest oprogramowanie symulacyjne, takie jak SIMULIA. Narzędzia te umożliwiają inżynierom modelowanie i optymalizację turbin wiatrowych pod kątem maksymalnej wydajności, jednocześnie płynnie integrując je z systemami hybrydowymi.

Rozwiązanie SIMULIA Wind Turbine Engineering pomaga inżynierom symulacji przewidywać, optymalizować i wirtualnie testować przed prototypowaniem.