Energiantuotannossa ei valitettavasti ole ilmaista lounasta.
Mikäli maailma aloittaa laajamittaisen siirtymisen kohti vähähiilisiä energialähteitä, on elintärkeää, että kunkin energiamuodon hyvät ja huonot puolet ymmärretään tarkkaan ja että uusiutuvien energialähteiden ympäristövaikutukset otetaan huomioon, niin vähäisiä kuin ne voivatkin olla kivihiileen ja kaasuun verrattuna.
Kahdessa artikkelissa – jotka on julkaistu tänään Environmental Research Letters- ja Joule-lehdissä – Harvardin yliopiston tutkijat toteavat, että siirtyminen tuuli- tai aurinkoenergiaan U.S.A:ssa.USA:ssa tarvittaisiin viidestä 20 kertaa enemmän maata kuin aiemmin on ajateltu, ja jos tällaisia laajamittaisia tuulipuistoja rakennettaisiin, se lämmittäisi keskimääräistä pintalämpötilaa Yhdysvaltain mantereella 0,24 celsiusastetta.
”Tuuli voittaa kivihiilen millä tahansa ympäristömittarilla mitattuna, mutta se ei tarkoita, että sen vaikutukset olisivat vähäpätöisiä”, sanoo Harvardin insinööritieteiden ja soveltavan tekniikan ja soveltavan luonnontieteiden korkeakoulun (SEAS, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvardin teknillisen ja soveltavan luonnontieteiden korkeakoulu, Harvardin John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences -yksikköön sijoitettu soveltavan fysiikan professori, ja paperien vanhempi laatija David Keith. ”Meidän on siirryttävä nopeasti pois fossiilisista polttoaineista hiilidioksidipäästöjen pysäyttämiseksi. Sitä tehdessämme meidän on tehtävä valintoja erilaisten vähähiilisten teknologioiden välillä, joilla kaikilla on jonkin verran sosiaalisia ja ympäristövaikutuksia.”
Keith on myös Harvardin Kennedy Schoolin julkisen politiikan professori.
Yksi ensimmäisistä vaiheista uusiutuvien teknologioiden ympäristövaikutusten ymmärtämisessä on sen ymmärtäminen, kuinka paljon maa-alaa tarvittaisiin tyydyttämään Yhdysvaltojen tuleva energiantarve. Jopa nykyisestä energiantarpeesta lähtien energia-asiantuntijat ovat jo pitkään kiistelleet tarvittavasta maapinta-alasta ja siihen liittyvistä tehotiheyksistä.
Aiemmassa tutkimuksessaan Keith ja hänen kollegansa mallinsivat laajamittaisten tuulivoimapuistojen tuotantokapasiteettia ja totesivat, että tuulivoiman todellista tuotantoa oli yliarvioitu, koska turbiinien ja ilmakehän väliset vuorovaikutussuhteet oli jätetty huomioimatta tarkasti.
Vuoden 2013 tutkimuksessa Keith kuvaili, miten jokainen tuuliturbiini luo takanaan ”tuulivarjon”, jossa turbiinin lavat ovat hidastaneet ilmaa. Nykyisissä kaupallisissa tuulivoimapuistoissa turbiinit sijoitetaan varovasti toisiinsa näiden tuulivarjojen vaikutusten vähentämiseksi, mutta kun otetaan huomioon, että tuulivoimapuistojen odotetaan edelleen laajenevan tuulivoimasta saatavan sähkön kysynnän kasvaessa, vuorovaikutusta ja siihen liittyviä ilmastovaikutuksia ei voida välttää.
Tämästä aiemmasta tutkimuksesta puuttuivat kuitenkin havainnot, jotka tukisivat mallinnusta. Sitten muutama kuukausi sitten Yhdysvaltain geologinen tutkimuslaitos (U.S. Geological Survey) julkaisi 57 636 tuulivoimalan sijainnit eri puolilla Yhdysvaltoja. Käyttämällä tätä tietoaineistoa yhdessä useiden muiden Yhdysvaltain hallituksen tietokantojen kanssa Keith ja väitöskirjatutkija Lee Miller pystyivät määrittämään 411 tuulipuiston ja 1150 aurinkosähkövoimalan tehotiheyden, jotka toimivat Yhdysvalloissa.Yhdysvalloissa vuonna 2016.
”Tuulivoiman osalta havaitsimme, että keskimääräinen tehotiheys – eli energiantuotannon määrä jaettuna tuulivoimalan pinta-alalla – oli jopa sata kertaa alhaisempi kuin joidenkin johtavien energia-asiantuntijoiden arviot”, sanoo Miller, joka on molempien julkaisujen ensimmäinen kirjoittaja. ”Useimmissa näistä arvioista ei otettu huomioon turbiinin ja ilmakehän vuorovaikutusta. Erillisessä tuulivoimalassa vuorovaikutuksella ei ole lainkaan merkitystä, mutta kun tuulivoimalat ovat yli 5-10 kilometrin syvyydessä, vuorovaikutuksella on suuri vaikutus tehotiheyteen.”
Havaintoihin perustuvat tuulivoiman tehotiheydet ovat myös paljon alhaisemmat kuin tärkeät arviot, jotka on laatinut U.Yhdysvaltain energiaministeriön ja hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin arvioita.
Aurinkoenergian keskimääräinen tehotiheys (mitattuna watteina neliömetriä kohti) on 10 kertaa suurempi kuin tuulivoiman, mutta myös paljon pienempi kuin johtavien energia-asiantuntijoiden arviot.
Tämä tutkimus viittaa siihen, että tuulivoimalat eivät ainoastaan vaadi enemmän maata ehdotettujen uusiutuvan energian tavoitteiden saavuttamiseksi, vaan näin suuressa mittakaavassa niistä tulisi myös aktiivinen toimija ilmastojärjestelmässä.
Joule-lehdessä tutkittu seuraava kysymys oli, miten näin laajamittaiset tuulipuistot vaikuttaisivat ilmastojärjestelmään.
Tuulivoiman vaikutusten arvioimiseksi Keith ja Miller loivat vuosien 2012-2014 Yhdysvaltojen ilmaston perustason käyttämällä tavallista sääennustemallia. Sen jälkeen he kattoivat kolmanneksen Manner-Yhdysvalloista riittävällä määrällä tuulivoimaloita vastaamaan Yhdysvaltojen nykyistä sähköntarvetta. Tutkijat havaitsivat, että tämä skenaario lämmittäisi Yhdysvaltojen mantereen pintalämpötilaa 0,24 celsiusastetta, ja suurimmat muutokset tapahtuisivat yöllä, jolloin pintalämpötila nousisi jopa 1,5 astetta. Tämä lämpeneminen on seurausta siitä, että tuulivoimalat sekoittavat aktiivisesti ilmakehää lähellä maanpintaa ja ilmakehän yläpuolella samalla, kun ne poistavat ilmakehän liikettä.
Tämä tutkimus tukee yli kymmentä muuta tutkimusta, joissa on havaittu lämpenemistä toiminnassa olevien yhdysvaltalaisten tuulivoimaloiden lähellä. Miller ja Keith vertasivat simulaatioitaan satelliittipohjaisiin havainnointitutkimuksiin Pohjois-Texasissa ja havaitsivat suunnilleen yhdenmukaisia lämpötilan nousuja.
Miller ja Keith korostavat nopeasti, että on epätodennäköistä, että Yhdysvallat tuottaisi niin paljon tuulivoimaa kuin he simuloivat skenaariossaan, mutta paikallista lämpenemistä tapahtuu pienemmissäkin ennusteissa. Jatkokysymys on tällöin ymmärtää, milloin päästöjen vähentämisen kasvavat hyödyt ovat suunnilleen yhtä suuret kuin tuulivoiman lähes välittömät vaikutukset.
Harvardin tutkijat havaitsivat, että tuulivoimaloiden lämpenemisvaikutus Yhdysvaltain mantereella oli itse asiassa suurempi kuin päästöjen vähentämisen vaikutus ensimmäisen vuosisadan aikana. Tämä johtuu siitä, että lämpenemisvaikutus on pääasiassa paikallinen tuulivoimalassa, kun taas kasvihuonekaasupitoisuuksia on vähennettävä maailmanlaajuisesti, ennen kuin hyödyt realisoituvat.
Miller ja Keith toistivat laskelman aurinkovoiman osalta ja havaitsivat, että sen ilmastovaikutukset olivat noin kymmenen kertaa pienemmät kuin tuulivoiman.
”Tuulivoiman välittömät ilmastovaikutukset ovat välittömiä, kun taas päästöjen vähenemisen hyödyt kumuloituvat hitaasti”
, sanoi Keith. ”Jos näkökulmana on seuraavat 10 vuotta, tuulivoimalla on itse asiassa – joiltakin osin – suurempi ilmastovaikutus kuin kivihiilellä tai kaasulla”. Jos näkökulma on seuraavat tuhat vuotta, tuulivoiman ilmastovaikutukset ovat huomattavasti pienemmät kuin hiilen tai kaasun.”
”Työtä ei pidä nähdä tuulivoiman perustavanlaatuisena kritiikkinä”, Keith sanoi. ”Osa tuulivoiman ilmastovaikutuksista on hyödyllisiä – useat maailmanlaajuiset tutkimukset osoittavat, että tuulivoima viilentää napa-alueita. Työ olisi pikemminkin nähtävä ensimmäisenä askeleena siinä, että näitä vaikutuksia aletaan arvioida vakavammin kaikkien uusiutuvien energialähteiden osalta. Toivomme, että tutkimuksemme yhdessä viimeaikaisten suorien havaintojen kanssa merkitsee käännekohtaa, jossa tuulivoiman ilmastovaikutukset aletaan ottaa vakavasti huomioon energiajärjestelmän hiilidioksidipäästöjen vähentämistä koskevissa strategisissa päätöksissä.”
Tämän tutkimuksen rahoitti Innovatiivisen ilmasto- ja energiantutkimuksen rahasto.