Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica Valutazione della risorsa eolica di aree ad orografia complessa per mezzo di analisi fluidodinamica numerica di mesoscala Tutor: Ch.mo Prof. Renato Ricci Coordinatore del Curriculum: Ch.mo Prof. Massimo Paroncini Dottorando: Ing. Pierpaolo Garofalo X CIclo - Nuova Serie

OBIETTIVO Valutazione della producibilità energetica di siti caratterizzati da orografia complessa con un margine di errore accettabile, relativo alla velocità media annuale, possibilmente inferiore al 3% Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 2

OBIETTIVO Esempio: un errore di valutazione della velocità del 3% determina un errore di circa il 9% della massima potenza estraibile. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 3

CONSIDERAZIONI La disponibilità di energia da fonte eolica in Italia è presente principalmente in aree collinari/montuose caratterizzate da orografia complessa Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 4

La Norma IEC 61400-1 definisce le aree ad orografia complessa CONSIDERAZIONI La Norma IEC 61400-1 definisce le aree ad orografia complessa Complex terrain: surrounding terrain that features significant variations in topography and terrain obstacles that may cause flow distortion Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 5

Simulazioni di mesoscala con modello MM5 (>1 anno) PROCEDURA STATO ATTUALE Griglia 1000m Griglia 20m Condizioni al Contorno Simulazioni di mesoscala con modello MM5 (>1 anno) Simulazioni di microscala con modello PHOENIX Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 6

CONSIDERAZIONI Il modello di mesoscala opera in condizioni ben differenti secondo il tipo di orografia! Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 7

SCALA DEI FENOMENI STATO ATTUALE 8 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 8

NON risolve né tiene conto CODICE DI MICROSCALA STATO ATTUALE BC da codice mesoscala Codice microscala Equazioni di NS NON risolve né tiene conto di importanti fenomeni che influenzano il comportamento del flusso negli strati più bassi dell'atmosfera Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 9

LIMITAZIONI DEI CODICI DI MICROSCALA STATO ATTUALE Manca il trattamento di fenomeni fisici: microfisica cumuli surface layer PBL radiazione superficie del terreno Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 10

LIMITAZIONI DEI CODICI DI MESOSCALA STATO ATTUALE Mancano, essenzialmente, di una adeguata risoluzione di griglia che permetta un opportuno trattamento dell'influenza dell'orografia del terreno sul campo di moto Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 11

LIMITAZIONI DEI CODICI DI MESOSCALA STATO ATTUALE La risoluzione massima di griglia utilizzata fin ora con i modelli di mesoscala è stata di 1000m con il modello DEM del terreno GTOPO30 (30” 926m) Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 12

IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Spingere al massimo la risoluzione di griglia scendendo nel campo del microscala ma usando un codice di mesoscala che risolva/parametrizzi tutti quei fenomeni trascurati dal codice CFD di microscala Occorre far seguire all'aumento della risoluzione di griglia un opportuno aumento del livello di definizione del modello del terreno! Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 13

IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Shuttle Radar Topography Mission L'incremento di risoluzione della griglia di calcolo è stato reso possibile grazie all'adozione di DEM del terreno in formato SRTM con risoluzione di 90m SRTM Shuttle Radar Topography Mission Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 14

IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Griglia 20m Griglia 90m Griglia 30” Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 15

IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Il codice sorgente del modello MM5 è stato modificato per permettere l'ingestione dei file di dati orografici in formato SRTM Lo sviluppo di MM5 da parte della comunità scientifica è stato abbandonato da alcuni anni in favore del modello WRF tuttavia ... Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 16

IDEA ALLA BASE DEL LAVORO WRF MM5 Sviluppato sin dall'inizio in maniera modulare per accettare i modelli di parametrizzazione via via prodotti dagli sviluppatori Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 17

IDEA ALLA BASE DEL LAVORO Si è deciso quindi di costruire da zero un protocollo di calcolo basato su WRF che rappresenta il modello di lavoro futuro nella simulazione di mesoscala Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 18

IDEA ALLA BASE DEL LAVORO WRF affiancherà MM5 nelle simulazioni di mesoscala condotte presso il DIISM fino a quando non si riterrà la sua affidabilità pari o superiore a quella del suo ben collaudato predecessore Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 19

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO Il lavoro di implementazione del protocollo numerico è stato portato avanti in tre passi: Avvio di una simulazione annuale su un dominio del quale sono disponibili i dati anemometrici provenienti da una torre gestita dal DIISM: confronto tra i dati numerici prodotti, con differenti risoluzioni di griglia, da WRF e MM5 e quelli sperimentali Collaudo e test su casi notevoli del modello al fine di trovare la combinazione più stabile di parametri di microfisica, dinamica e griglia Costruzione di un sistema completo di tutte le librerie necessarie al suo funzionamento ed indipendente dagli aggiornamenti futuri del sistema operativo del cluster di Dipartimento Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 20

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE La compilazione di WRF è molto delicata e sensibile alla versione delle librerie utilizzate. In particolare volendo l'uscita dei dai in formato NetCDF, quest'ultimo e WRF DEVONO essere compilati con lo stesso compilatore Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 21

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE Si è deciso di costruire un sistema il più possibile immune dalle necessarie procedure di aggiornamento del SO del cluster di Dipartimento ed implementare così un sistema “bundle”, cioè totalmente autonomo dalle librerie globali di sistema Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 22 22

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE Il risultato è stata l'implementazione di una serie di script (27) BASH che, eseguiti in ordine prestabilito, scaricano, scompattano, “patchano” e compilano tutti i pacchetti necessari alla installazione del codice WRF Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 23

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO COMPILAZIONE DEL CODICE: dm+sm 00-build_openmpi-1.2.9.sh 01-build_jpeg-v6b.sh 02-build_zlib-1.2.3.sh 03-build_udunits-2.1.19.sh 04-build_szip-2.1.sh 05-build_hdf5-1.8.5.sh 06-build_libcurl-7.19.7.sh 07-build_netcdf-4.1.1.sh 08-build_HDF4-2r4.sh 09-build_jasper-1.900.1.sh 10-build_libpng-1.2.41.sh 11-build_g2clib-with-changes-1.1.9.sh 12-build_hdfeos2-16v1.sh 13-build-hdfeos5-1.11.sh 14-build_triangle.sh 15-unpack_ncarg-5.2.1.sh 16-build_openssl-1.0.0.sh 17-build_libxml2-2.7.6.sh 18-build_libdap-3.9.3.sh 19-build_libdapnc-3.7.4.sh 20-build_udunits1.sh 21-build_proj-4.7.0.sh 22-build_gdal-1.7.2.sh 23-build_ncarg-5.2.1.sh 24-build_netcdf-4.1.1.sh 25-build_WRF-3.2.1.sh 26-build_WPS-3.2.1.sh Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 24

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA Griglia di calcolo: dimensione minima Dx,y=200m Dt=30sec Onere computazionale imposto dal CFL tradizionale Dx,y=1000m Dt=300sec QUOTE CENTRI CELLA Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 25

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting) D5: 24x200m=4.8Km D4: 24x600m=14.4Km D3: 24x1800m=43.2Km D2: 24x5400m=129.6Km D1: 24x16200m=388.2Km 30” SRTM SRTM SRTM SRTM D5: 48x1000m=48Km D4: 48x3000m=144Km D3: 48x9000m=432Km D2: 48x27000m=1296Km D1: 48x81000m=3888Km 10m 5m 2m 30” 30” SRTM Gtopo30 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 26

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: PARAMETRI DI GRIGLIA (Nesting) Griglia 200m 1000m Griglia 20m Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 27

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: Compilatore Al termine della fase di preparazione del sistema “pacchettizzato” sono state condotte delle prove su dei casi notevoli al fine di testare la velocità di esecuzione in funzione dei compilatori disponibili. Sono stati provati il compilatore GNU e l'INTEL. +20% INTEL GNU Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 28

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: Fisica WRF Stessi Modelli di Fisica MM5 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 29

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO FASE DI TEST: Scalabilità Back casting SMPAR openMP Run normale DMPAR MPI Scalabilità Una simulazione Un nodo di calcolo Una simulazione Più nodi di calcolo openMP MPI Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 30

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO ESECUZIONE DEL CODICE Pre-processing WPS Ungrib Geogrid Metgrid Run WRF o/i Real namelist.wps namelist.input Wrf Run_WPS Run_WRF Run_case Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 31

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO TEMPI DI ESECUZIONE 5h20'/dd 1h44'/dd Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 32

IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO ESECUZIONE DEL POST prestazioni ventosità Weibull ppp_1 ppp_2 AV FT Rose Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 33

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI INDIVIDUAZIONE DEL DOMINIO DI CALCOLO Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 34

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI TORRE ANEMOMETRICA CMC1 Anemometro a coppette e banderuola 44m Anemometro sonico 40m Anemometro a coppette e banderuola 30m Anemometro a coppette 20m Termometro 10m Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 35

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MEMORIZZAZIONE E TRATTAMENTO DATI Raccolta Dati 00:00 01 maggio 2009 10min TS 23:56 30 aprile 2010 Nomad 2 Data Logger Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 36

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MISURAZIONI Max Avr. Std. Dev. Time of Max Anemometri a coppe U Banderuole Dir Avr. Std. Dev. Max Avr. Std. Dev. Time of Max Anemometro sonico U, V, W Direzione sonico Dir Avr. Std. Dev. Avr. Std. Dev. Termometro T Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 37

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MISURAZIONI: Analisi Dati Stato di carica delle batterie Blocchi dovuti al ghiaccio Filtraggio di dati non validi: - V<12Volt - U<0.5m/s & StdDev=0 & TS>2 Dicembre 2009 Gennaio 2010 Febbraio 2010 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 38

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI CONFRONTO TRA I DATI 30m sls MM5 Mesoscale Model 5th Generation WRF Weather Research Forecast GTOPO30 SRTM SRTM GTOPO30 Misure Torre CMC1 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 39

CONCLUSIONI Il valore della velocità media annuale prevista da WRF, affetto da uno scostamento del 4.3% rispetto al valore medio misurato dall'anemometro della torre, risulta nettamente migliore di quello previsto da MM5, il quale si scosta dal valore di riferimento sperimentale del 19.3%; purtroppo si nota un non altrettanto buon comportamento di WRF, rispetto a MM5, per ciò che riguarda gli andamenti delle temperature a 10m sls. In questo caso MM5 fornisce dei valori di medie mensili e di andamenti giornalieri molto più aderenti a quelli forniti dal termometro della torre; Con il presente lavoro è stato sviluppato un protocollo numerico, basato sul modello fluidodinamico di mesoscala WRF, per lo studio anemologico di aree ad orografia complessa; Il lavoro di implementazione del protocollo, che ha previsto lo sviluppo di una serie codici di pre e post processamento, è stato testato per lo studio del vento in aree a orografia complessa adottando delle modifiche per l'utilizzo con i formati di "terrain“ ad alta risoluzione SRTM; Sono state condotte simulazioni numeriche annuali su un dominio di calcolo con una torre anemometrica gestita dal DIISM dell'UNIVPM. Dal confronto dei numerici con gli sperimentali si è visto che: per quanto riguarda le direzioni di provenienza dei venti, si nota che entrambi i modelli forniscono stime di angoli ruotati in verso antiorario. In particolare a 30m sls, MM5 fornisce dei valori di direzione che si scostano in media di 22.5° mentre WRF ha in generale una deviazione di circa 45°. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 40

SVILUPPO I risultati forniti da WRF sono stati confortanti in relazione alla stima della velocità media annuale, ma richiedono certamente ulteriori indagini al fine di capire i motivi che sono alla base della scarsa efficacia nella determinazione delle temperature e della provenienza dei venti. In ogni caso essi sono tali da incoraggiare sia il prosieguo del lavoro di sviluppo dei codici di pre e post processamento, sia e soprattutto il lavoro di sperimentazione dei nuovi modelli di parametrizzazione. Questi sono infatti continuamente aggiornati e potenziati dalla comunità scientifica che cura lo sviluppo di WRF. Risulta pertanto di notevole importanza testarne l'efficacia numerica, e l'individuazione dei più adatti allo studio della ventosità delle aree ad orografia complessa. Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 41

Fine della Presentazione Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 42

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 43

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 44

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 45

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 46

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 47

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 48

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 49

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 50

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 51

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre 30m sls Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 52

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Velocità medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 53

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Velocità medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 54

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Andamento diurno velocità Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 55

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Rose trimestrali Maggio-Luglio 2009 Agosto-Ottobre 2009 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 56

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Rose trimestrali Novembre-Gennaio 2010 Febbraio-Aprile 2010 Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 57

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 58

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature medie mensili Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 59

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature giornaliere Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 60

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI MM5 SRTM vs WRF SRTM vs Dati Torre: Temperature giornaliere Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 61

SIMULAZIONI NUMERICHE e DATI SPERIMENTALI WRF: GTOPO30 vs SRTM vs Dati torre 30m sls Università Politecnica delle Marche Scuola di Dottorato in Scienze dell'Ingegneria Curriculum Energetica 62