Når det kommer til energiproduktion, er der desværre ikke noget som en gratis frokost.
Da verden begynder sin storstilede overgang til kulstoffattige energikilder, er det afgørende, at fordele og ulemper ved hver type er velforstået, og at de miljømæssige virkninger af vedvarende energi, hvor små de end måtte være i forhold til kul og gas, er overvejet.
I to artikler – offentliggjort i dag i tidsskrifterne Environmental Research Letters og Joule – finder forskere fra Harvard University, at overgangen til vind- eller solenergi i U.USA ville kræve fem til 20 gange mere jord end tidligere antaget, og hvis sådanne vindmølleparker i stor skala blev bygget, ville de gennemsnitlige overfladetemperaturer over det amerikanske fastland blive opvarmet med 0,24 grader celsius.
“Vind slår kul efter alle miljømæssige mål, men det betyder ikke, at virkningerne er ubetydelige”, siger David Keith, Gordon McKay Professor of Applied Physics ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og hovedforfatter af artiklerne. “Vi må hurtigt gå væk fra fossile brændstoffer for at stoppe kulstofemissionerne. I den forbindelse skal vi træffe valg mellem forskellige teknologier med lavt kulstofindhold, som alle har visse sociale og miljømæssige konsekvenser.”
Keith er også professor i offentlig politik ved Harvard Kennedy School.
Et af de første skridt til at forstå de vedvarende teknologiers miljømæssige konsekvenser er at forstå, hvor meget jord der skal bruges til at opfylde USA’s fremtidige energiforbrug. Selv hvis man tager udgangspunkt i dagens energibehov, har energieksperter længe diskuteret det nødvendige areal og de tilhørende energitætheder.
I tidligere forskning har Keith og medforfattere modelleret produktionskapaciteten for store vindmølleparker og konkluderet, at vindkraftproduktionen i den virkelige verden var blevet overvurderet, fordi de havde forsømt at tage nøjagtigt hensyn til samspillet mellem møller og atmosfæren.
I forskningen fra 2013 beskrev Keith, hvordan hver vindmølle skaber en “vindskygge” bag den, hvor luften er blevet bremset af møllens vinger. Nutidens vindmølleparker i kommerciel skala placerer omhyggeligt møllerne for at reducere virkningen af disse vindskygger, men i betragtning af forventningen om, at vindmølleparker fortsat vil blive udvidet, efterhånden som efterspørgslen efter elektricitet fra vindkraft stiger, kan interaktioner og de dermed forbundne klimapåvirkninger ikke undgås.
Det, der manglede i denne tidligere forskning, var imidlertid observationer til støtte for modelleringen. For et par måneder siden offentliggjorde U.S. Geological Survey så placeringen af 57.636 vindmøller rundt om i USA. Ved hjælp af dette datasæt i kombination med flere andre databaser fra den amerikanske regering kunne Keith og postdoc Lee Miller kvantificere effekttætheden af 411 vindmølleparker og 1.150 solcelleanlæg i drift i USA.USA i 2016.
“For vindkraft fandt vi, at den gennemsnitlige effekttæthed – dvs. energiproduktionshastigheden divideret med vindmølleanlæggets areal – var op til 100 gange lavere end skønnene fra nogle førende energieksperter”, siger Miller, der er førsteforfatter til begge artikler. “I de fleste af disse skøn blev der ikke taget hensyn til samspillet mellem mølle og atmosfære. For en isoleret vindmølle er interaktionerne slet ikke vigtige, men når vindmølleparkerne er mere end fem til 10 kilometer dybe, har disse interaktioner en stor indvirkning på effekttætheden.”
De observationsbaserede vindkrafttætheder er også meget lavere end vigtige skøn fra U.US Department of Energy og Intergovernmental Panel on Climate Change.
For solenergi er den gennemsnitlige effekttæthed (målt i watt pr. kvadratmeter) 10 gange højere end vindkraft, men også meget lavere end skøn fra førende energieksperter.
Denne forskning tyder på, at vindmølleparker ikke blot vil kræve mere jord for at nå de foreslåede mål for vedvarende energi, men også, at de i så stor skala vil blive en aktiv spiller i klimasystemet.
Det næste spørgsmål, som blev undersøgt i tidsskriftet Joule, var, hvordan sådanne vindmølleparker i stor skala ville påvirke klimasystemet.
For at vurdere virkningerne af vindkraft etablerede Keith og Miller en basislinje for det amerikanske klima i 2012-2014 ved hjælp af en standardmodel til vejrudsigter. Derefter dækkede de en tredjedel af det amerikanske fastland med nok vindmøller til at dække USA’s nuværende efterspørgsel efter elektricitet. Forskerne fandt, at dette scenarie ville opvarme overfladetemperaturen på det amerikanske fastland med 0,24 grader celsius, og at de største ændringer ville ske om natten, hvor overfladetemperaturen steg med op til 1,5 grader. Denne opvarmning er et resultat af, at vindmøller aktivt blander atmosfæren nær jorden og i luften, samtidig med at de trækker på atmosfærens bevægelse.
Denne forskning støtter mere end 10 andre undersøgelser, der har observeret opvarmning nær amerikanske vindmølleparker i drift. Miller og Keith sammenlignede deres simuleringer med satellitbaserede observationsstudier i det nordlige Texas og fandt nogenlunde ensartede temperaturstigninger.
Miller og Keith er hurtige til at påpege det usandsynlige i, at USA vil generere så meget vindkraft, som de simulerer i deres scenarie, men der sker en lokaliseret opvarmning i endnu mindre fremskrivninger. Det efterfølgende spørgsmål er så at forstå, hvornår de voksende fordele ved at reducere emissionerne er nogenlunde lige så store som de næsten øjeblikkelige virkninger af vindkraft.
Harvard-forskerne fandt, at den opvarmende effekt af vindmøller på det amerikanske fastland faktisk var større end effekten af reducerede emissioner i det første århundrede af driften. Det skyldes, at opvarmningseffekten overvejende er lokal for vindmølleparken, mens drivhusgaskoncentrationerne skal reduceres globalt, før fordelene realiseres.
Miller og Keith gentog beregningen for solenergi og fandt, at dens klimapåvirkninger var omkring 10 gange mindre end vindmøllens.
“De direkte klimapåvirkninger af vindkraft er øjeblikkelige, mens fordelene ved reducerede emissioner akkumuleres langsomt,” siger Keith. “Hvis dit perspektiv er de næste 10 år, har vindkraft faktisk – i nogle henseender – større klimapåvirkning end kul eller gas. Hvis man ser på de næste tusind år, har vindkraft en enormt mindre klimapåvirkning end kul eller gas.”
“Arbejdet skal ikke ses som en grundlæggende kritik af vindkraft”, sagde han. “Nogle af vindkraftens klimapåvirkninger vil være gavnlige – flere globale undersøgelser viser, at vindkraft afkøler polarområderne. Arbejdet skal snarere ses som et første skridt i retning af at blive mere seriøs med hensyn til at vurdere disse virkninger for alle vedvarende energikilder. Vores håb er, at vores undersøgelse, kombineret med de seneste direkte observationer, markerer et vendepunkt, hvor vindkraftens klimapåvirkninger begynder at blive taget alvorligt i betragtning i strategiske beslutninger om dekarbonisering af energisystemet.”
Denne forskning blev finansieret af fonden for innovativ klima- og energiforskning.