Pokud jde o výrobu energie, neexistuje bohužel nic jako oběd zdarma.
Když svět začíná ve velkém měřítku přecházet na nízkouhlíkové zdroje energie, je nezbytné, aby byly dobře pochopeny výhody a nevýhody jednotlivých typů a aby byly zváženy dopady obnovitelných zdrojů energie na životní prostředí, i když jsou ve srovnání s uhlím a plynem malé.
Vědci z Harvardovy univerzity ve dvou článcích – dnes publikovaných v časopisech Environmental Research Letters a Joule – zjistili, že přechod na větrnou nebo sluneční energii v U. S.USA by si vyžádal pětkrát až dvacetkrát více půdy, než se dosud předpokládalo, a pokud by se takové rozsáhlé větrné farmy postavily, oteplily by se průměrné povrchové teploty v kontinentální části USA o 0,24 stupně Celsia.
„Vítr překonává uhlí podle všech ekologických měřítek, ale to neznamená, že jeho dopady jsou zanedbatelné,“ řekl David Keith, profesor aplikované fyziky Gordon McKay na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a hlavní autor článků. „Abychom zastavili emise uhlíku, musíme rychle přejít od fosilních paliv. Přitom musíme volit mezi různými nízkouhlíkovými technologiemi, z nichž všechny mají určité sociální a environmentální dopady.“
Keith je také profesorem veřejné politiky na Harvard Kennedy School.
Jedním z prvních kroků k pochopení dopadu obnovitelných technologií na životní prostředí je pochopit, kolik půdy by bylo potřeba k uspokojení budoucí energetické poptávky USA. I když vycházíme z dnešních energetických nároků, o potřebné rozloze půdy a související hustotě výkonu odborníci na energetiku dlouho diskutovali.
V předchozím výzkumu Keith a jeho spoluautoři modelovali výrobní kapacitu velkých větrných elektráren a dospěli k závěru, že reálná výroba větrné energie byla nadhodnocena, protože opomněli přesně zohlednit interakce mezi turbínami a atmosférou.
Ve výzkumu z roku 2013 Keith popsal, jak každá větrná turbína vytváří za sebou „větrný stín“, kde byl vzduch zpomalen lopatkami turbíny. Dnešní komerční větrné farmy pečlivě rozmisťují turbíny tak, aby se vliv těchto větrných stínů snížil, ale vzhledem k očekávání, že se větrné farmy budou s rostoucí poptávkou po elektřině vyrobené z větru dále rozšiřovat, nelze se vzájemnému působení a souvisejícím klimatickým dopadům vyhnout.
V tomto předchozím výzkumu však chyběla pozorování, která by modelování podpořila. Před několika měsíci pak U.S. Geological Survey zveřejnila umístění 57 636 větrných turbín po celých Spojených státech. Na základě tohoto souboru dat v kombinaci s několika dalšími databázemi americké vlády byli Keith a jeho postdoktorand Lee Miller schopni vyčíslit hustotu výkonu 411 větrných farem a 1 150 solárních fotovoltaických elektráren provozovaných v USA.USA během roku 2016.
„U větrných elektráren jsme zjistili, že průměrná hustota výkonu – což znamená míru výroby energie vydělenou rozlohou větrné elektrárny – byla až stokrát nižší než odhady některých předních odborníků na energetiku,“ uvedl Miller, který je prvním autorem obou prací. „Většina těchto odhadů nezohledňovala interakci mezi turbínou a atmosférou. Pro izolovanou větrnou turbínu nejsou interakce vůbec důležité, ale jakmile jsou větrné elektrárny v hloubce větší než pět až deset kilometrů, mají tyto interakce zásadní vliv na hustotu výkonu.“
Hustota výkonu větrných elektráren založená na pozorování je také mnohem nižší než důležité odhady U. S. Rowlinga.Ministerstva energetiky USA a Mezivládního panelu pro změnu klimatu.
V případě solární energie je průměrná hustota výkonu (měřená ve wattech na metr čtvereční) desetkrát vyšší než u větrné energie, ale také mnohem nižší než odhady předních energetických odborníků.
Tento výzkum naznačuje, že větrné elektrárny budou nejen vyžadovat více půdy pro dosažení navrhovaných cílů v oblasti obnovitelných zdrojů energie, ale také by se v tak velkém měřítku staly aktivním hráčem v klimatickém systému.
Další otázkou, kterou zkoumal časopis Joule, bylo, jak by takto rozsáhlé větrné farmy ovlivnily klimatický systém.
Pro odhad dopadů větrné energie stanovili Keith a Miller pomocí standardního modelu předpovědi počasí výchozí klimatickou situaci v USA v letech 2012-2014. Poté pokryli třetinu kontinentální části USA takovým množstvím větrných turbín, které by pokrylo současnou poptávku USA po elektřině. Výzkumníci zjistili, že tento scénář by oteplil povrchovou teplotu kontinentálních USA o 0,24 stupně Celsia, přičemž k největším změnám by došlo v noci, kdy by se povrchová teplota zvýšila až o 1,5 stupně. Toto oteplení je důsledkem toho, že větrné turbíny aktivně míchají atmosféru u země a ve výšce a současně odebírají z pohybu atmosféry.
Tento výzkum podporuje více než 10 dalších studií, které pozorovaly oteplení v blízkosti fungujících větrných elektráren v USA. Miller a Keith porovnali své simulace se satelitními pozorovacími studiemi v severním Texasu a zjistili zhruba shodné zvýšení teploty.
Miller a Keith rychle upozorňují na nepravděpodobnost, že by USA vyráběly tolik větrné energie, kolik simulují ve svém scénáři, ale k lokálnímu oteplení dochází i v menších projekcích. Následnou otázkou je pak pochopit, kdy se rostoucí přínosy snižování emisí zhruba vyrovnají téměř okamžitým dopadům větrné energie.
Výzkumníci z Harvardu zjistili, že oteplovací efekt větrných turbín v kontinentálních USA je ve skutečnosti větší než efekt snižování emisí během prvního století jejich provozu. Je to proto, že oteplovací efekt je převážně lokální v místě větrné farmy, zatímco koncentrace skleníkových plynů se musí snížit globálně, než se projeví přínosy.
Miller a Keith zopakovali výpočet pro solární energii a zjistili, že její dopady na klima jsou asi desetkrát menší než dopady větrné energie.
„Přímé dopady větrné energie na klima jsou okamžité, zatímco přínosy snížení emisí se kumulují pomalu,“ řekl Keith. „Pokud je vaší perspektivou příštích 10 let, větrná energie má ve skutečnosti – v některých ohledech – větší dopad na klima než uhlí nebo plyn. Pokud je vaší perspektivou příštích tisíc let, pak má větrná energie enormně menší klimatický dopad než uhlí nebo plyn.“
„Tato práce by neměla být vnímána jako zásadní kritika větrné energie,“ řekl. „Některé dopady větru na klima budou prospěšné – několik světových studií ukazuje, že větrná energie ochlazuje polární oblasti. Práce by měla být spíše vnímána jako první krok k tomu, abychom se začali vážněji zabývat hodnocením těchto dopadů u všech obnovitelných zdrojů energie. Doufáme, že naše studie v kombinaci s nedávnými přímými pozorováními znamená bod zlomu, kdy se klimatické dopady větrné energie začnou vážně zohledňovat při strategických rozhodnutích o dekarbonizaci energetického systému.“
Tento výzkum byl financován Fondem pro inovativní výzkum klimatu a energetiky.