Wenn es um Energieerzeugung geht, gibt es leider nichts zum Nulltarif.
Während die Welt ihren groß angelegten Übergang zu kohlenstoffarmen Energiequellen beginnt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Vor- und Nachteile jeder Art gut verstanden und die Umweltauswirkungen erneuerbarer Energien, so gering sie im Vergleich zu Kohle und Gas auch sein mögen, berücksichtigt werden.
In zwei Arbeiten, die heute in den Zeitschriften Environmental Research Letters und Joule veröffentlicht wurden, kommen Forscher der Harvard University zu dem Schluss, dass die Umstellung auf Wind- oder Solarenergie in den USA das Fünf- bis Zwanzigfache der Energiekosten erfordern würde.Die Umstellung auf Wind- und Solarenergie in den USA würde fünf- bis zwanzigmal mehr Land erfordern als bisher angenommen, und wenn solche groß angelegten Windparks gebaut würden, würde sich die durchschnittliche Oberflächentemperatur auf dem US-Kontinent um 0,24 Grad Celsius erwärmen.
„Wind schlägt Kohle bei jedem Umweltmaßstab, aber das bedeutet nicht, dass seine Auswirkungen vernachlässigbar sind“, sagte David Keith, Gordon McKay Professor für angewandte Physik an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und Hauptautor der Arbeiten. „Wir müssen schnell von fossilen Brennstoffen wegkommen, um die Kohlenstoffemissionen zu stoppen. Dabei müssen wir zwischen verschiedenen kohlenstoffarmen Technologien wählen, die alle gewisse soziale und ökologische Auswirkungen haben.“
Keith ist auch Professor für öffentliche Ordnung an der Harvard Kennedy School.
Einer der ersten Schritte zum Verständnis der Umweltauswirkungen erneuerbarer Technologien besteht darin, zu verstehen, wie viel Land benötigt würde, um den künftigen Energiebedarf der USA zu decken. Selbst wenn man vom heutigen Energiebedarf ausgeht, sind die erforderliche Landfläche und die damit verbundene Leistungsdichte unter Energieexperten seit langem umstritten.
In früheren Forschungsarbeiten haben Keith und seine Mitautoren die Erzeugungskapazität großer Windparks modelliert und sind zu dem Schluss gekommen, dass die reale Windenergieerzeugung überschätzt wurde, weil sie die Wechselwirkungen zwischen den Turbinen und der Atmosphäre nicht genau berücksichtigt hatten.
In seiner Studie aus dem Jahr 2013 beschrieb Keith, wie jede Windturbine einen „Windschatten“ hinter sich erzeugt, in dem die Luft von den Turbinenblättern abgebremst wird. In den heutigen kommerziellen Windparks werden die Turbinen mit Bedacht platziert, um die Auswirkungen dieser Windschatten zu verringern. Da jedoch davon auszugehen ist, dass die Windparks mit der steigenden Nachfrage nach Windstrom weiter wachsen werden, lassen sich Wechselwirkungen und die damit verbundenen klimatischen Auswirkungen nicht vermeiden.
Was in dieser früheren Forschung jedoch fehlte, waren Beobachtungen zur Unterstützung der Modellierung. Vor einigen Monaten veröffentlichte der U.S. Geological Survey die Standorte von 57.636 Windturbinen in den USA. Mithilfe dieses Datensatzes in Kombination mit verschiedenen anderen Datenbanken der US-Regierung konnten Keith und sein Postdoktorand Lee Miller die Leistungsdichte von 411 Windparks und 1.150 Photovoltaikanlagen quantifizieren, die 2016 in den USA in Betrieb waren.
„Bei der Windkraft haben wir festgestellt, dass die durchschnittliche Leistungsdichte – also die Energieerzeugungsrate geteilt durch die Fläche der Windkraftanlage – bis zu 100 Mal niedriger war als die Schätzungen einiger führender Energieexperten“, so Miller, der Erstautor beider Arbeiten ist. „Bei den meisten dieser Schätzungen wurde die Wechselwirkung zwischen Turbine und Atmosphäre nicht berücksichtigt. Für eine isolierte Windturbine sind die Wechselwirkungen überhaupt nicht wichtig, aber sobald die Windparks mehr als fünf bis 10 Kilometer tief sind, haben diese Wechselwirkungen einen großen Einfluss auf die Leistungsdichte.“
Die auf Beobachtungen basierenden Windleistungsdichten sind auch viel niedriger als wichtige Schätzungen des U.
Für die Solarenergie ist die durchschnittliche Leistungsdichte (gemessen in Watt pro Quadratmeter) zehnmal höher als die der Windenergie, aber auch viel niedriger als die Schätzungen führender Energieexperten.
Diese Forschung legt nahe, dass Windparks nicht nur mehr Land benötigen, um die vorgeschlagenen Ziele für erneuerbare Energien zu erreichen, sondern dass sie in einem so großen Maßstab auch zu einem aktiven Akteur im Klimasystem werden würden.
Die nächste Frage, die in der Fachzeitschrift Joule untersucht wurde, lautete, wie sich solche groß angelegten Windparks auf das Klimasystem auswirken würden.
Um die Auswirkungen der Windenergie abzuschätzen, erstellten Keith und Miller mit Hilfe eines Standard-Wettervorhersagemodells eine Grundlinie für das Klima in den USA im Zeitraum 2012-2014. Dann deckten sie ein Drittel des amerikanischen Festlands mit genügend Windturbinen ab, um den heutigen Strombedarf der USA zu decken. Die Forscher fanden heraus, dass dieses Szenario die Oberflächentemperatur des amerikanischen Kontinents um 0,24 Grad Celsius erwärmen würde, wobei die größten Veränderungen nachts auftreten, wenn die Oberflächentemperaturen um bis zu 1,5 Grad steigen. Diese Erwärmung ist das Ergebnis von Windturbinen, die die Atmosphäre in Bodennähe und in der Luft aktiv durchmischen und gleichzeitig von der Bewegung der Atmosphäre profitieren.
Diese Forschung unterstützt mehr als 10 andere Studien, die eine Erwärmung in der Nähe von in Betrieb befindlichen Windparks in den USA beobachtet haben. Miller und Keith verglichen ihre Simulationen mit satellitengestützten Beobachtungsstudien in Nordtexas und stellten einen annähernd übereinstimmenden Temperaturanstieg fest.
Miller und Keith weisen darauf hin, dass es unwahrscheinlich ist, dass die USA so viel Windenergie erzeugen, wie sie in ihrem Szenario simulieren, aber eine lokale Erwärmung tritt auch bei kleineren Projektionen auf. Die Folgefrage ist dann, wann der wachsende Nutzen der Emissionsreduzierung in etwa gleich groß ist wie die nahezu sofortigen Auswirkungen der Windenergie.
Die Harvard-Forscher fanden heraus, dass der Erwärmungseffekt von Windturbinen in den kontinentalen USA im ersten Jahrhundert ihres Betriebs tatsächlich größer war als der Effekt der Emissionsreduzierung. Das liegt daran, dass der Erwärmungseffekt überwiegend lokal auf den Windpark beschränkt ist, während die Treibhausgaskonzentrationen weltweit reduziert werden müssen, bevor die Vorteile zum Tragen kommen.
Miller und Keith wiederholten die Berechnung für die Solarenergie und stellten fest, dass deren Klimaauswirkungen etwa zehnmal geringer sind als die der Windenergie.
„Die direkten Klimaauswirkungen der Windenergie treten sofort ein, während sich die Vorteile der reduzierten Emissionen langsam ansammeln“, so Keith. „Wenn man die nächsten 10 Jahre betrachtet, hat die Windenergie in mancher Hinsicht sogar mehr Auswirkungen auf das Klima als Kohle oder Gas. Betrachtet man die nächsten tausend Jahre, dann hat die Windkraft enorm geringere Auswirkungen auf das Klima als Kohle oder Gas.“
„Die Arbeit sollte nicht als grundsätzliche Kritik an der Windkraft verstanden werden“, sagte er. „Einige der Auswirkungen der Windenergie auf das Klima werden positiv sein – mehrere globale Studien zeigen, dass die Windenergie die Polarregionen abkühlt. Vielmehr sollte diese Arbeit als ein erster Schritt zu einer ernsthafteren Bewertung dieser Auswirkungen für alle erneuerbaren Energien gesehen werden. Wir hoffen, dass unsere Studie in Verbindung mit den jüngsten direkten Beobachtungen einen Wendepunkt markiert, an dem die klimatischen Auswirkungen der Windkraft bei strategischen Entscheidungen über die Dekarbonisierung des Energiesystems ernsthaft berücksichtigt werden.“
Diese Forschung wurde vom Fonds für innovative Klima- und Energieforschung finanziert.