Az energiatermelésben sajnos nincs ingyen ebéd.
Amikor a világ megkezdi a nagyszabású átállást az alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiaforrásokra, létfontosságú, hogy az egyes típusok előnyeit és hátrányait jól megértsük, és figyelembe vegyük a megújuló energia környezeti hatásait, bármilyen kicsik is azok a szénhez és a gázhoz képest.
A Harvard Egyetem kutatói két – az Environmental Research Letters és a Joule folyóiratokban ma közzétett – tanulmányukban megállapítják, hogy a szél- vagy napenergiára való átállás az Egyesült Államokban.Az Egyesült Államokban a szél- és napenergiára való áttérés a korábban gondoltnál ötször-hússzor több földterületet igényelne, és ha ilyen nagyszabású szélerőműparkok épülnének, akkor 0,24 Celsius-fokkal melegítené az átlagos felszíni hőmérsékletet az USA kontinentális részén.
“A szél minden környezetvédelmi mércével mérve legyőzi a szenet, de ez nem jelenti azt, hogy a hatása elhanyagolható” – mondta David Keith, a Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) alkalmazott fizika Gordon McKay professzora és a tanulmányok vezető szerzője. “A szén-dioxid-kibocsátás megállításához gyorsan át kell állnunk a fosszilis tüzelőanyagokról. Ennek során választanunk kell a különböző alacsony szén-dioxid-kibocsátású technológiák között, amelyek mindegyike bizonyos társadalmi és környezeti hatásokkal jár.”
Keith a Harvard Kennedy School közpolitikai professzora is.
A megújuló technológiák környezeti hatásainak megértéséhez az egyik első lépés annak megértése, hogy mekkora földterületre lenne szükség a jövőbeli amerikai energiaigények kielégítéséhez. Még a mai energiaigényekből kiindulva is régóta vitatják az energiaszakértők a szükséges földterületet és a kapcsolódó teljesítménysűrűséget.
Egy korábbi kutatásban Keith és szerzőtársai modellezték a nagy szélerőműparkok termelőkapacitását, és arra a következtetésre jutottak, hogy a valós szélenergia-termelést túlbecsülték, mivel elhanyagolták a turbinák és a légkör közötti kölcsönhatások pontos figyelembevételét.
A 2013-as kutatásban Keith leírta, hogy minden szélturbina “szélárnyékot” hoz létre maga mögött, ahol a turbina lapátjai lelassítják a levegőt. A mai kereskedelmi méretű szélerőművek gondosan elhelyezik a turbinákat, hogy csökkentsék ezeknek a szélárnyékoknak a hatását, de mivel a szélerőművek várhatóan tovább fognak terjedni, ahogy a szélből nyert villamos energia iránti kereslet növekszik, a kölcsönhatásokat és a kapcsolódó éghajlati hatásokat nem lehet elkerülni.
A korábbi kutatásokból azonban hiányoztak a modellezést alátámasztó megfigyelések. Néhány hónappal ezelőtt aztán a U.S. Geological Survey közzétette az Egyesült Államokban található 57 636 szélturbina helyét. Ezt az adathalmazt felhasználva, számos más amerikai kormányzati adatbázissal kombinálva Keith és Lee Miller posztdoktori munkatárs képes volt számszerűsíteni az Egyesült Államokban működő 411 szélerőmű és 1150 napelemes fotovoltaikus erőmű teljesítménysűrűségét.USA-ban 2016-ban működtek.
“A szélerőművek esetében azt találtuk, hogy az átlagos teljesítménysűrűség – vagyis az energiatermelés mértéke osztva a szélerőmű területével – akár százszor alacsonyabb volt, mint néhány vezető energetikai szakértő becslése” – mondta Miller, aki mindkét tanulmány első szerzője. “E becslések többsége nem vette figyelembe a turbina és a légkör kölcsönhatását. Egy elszigetelt szélturbina esetében a kölcsönhatások egyáltalán nem fontosak, de amint a szélerőművek több mint öt-tíz kilométer mélyen vannak, ezek a kölcsönhatások jelentős hatással vannak a teljesítménysűrűségre.”
A megfigyeléseken alapuló szélerősségsűrűségek szintén sokkal alacsonyabbak, mint a fontos becslések, amelyeket az U.Amerikai Energiaügyi Minisztérium és az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület becsléseitől.
A napenergia esetében az átlagos teljesítménysűrűség (négyzetméterenként wattban mérve) tízszer nagyobb, mint a szélenergia, de szintén sokkal alacsonyabb, mint a vezető energetikai szakértők becslései.
Ez a kutatás azt sugallja, hogy a szélerőművek nemcsak több földterületet igényelnek a javasolt megújulóenergia-célok eléréséhez, hanem ilyen nagy méretben aktív szereplőjévé válnának az éghajlati rendszernek.
A következő kérdés, amelyet a Joule folyóiratban vizsgáltak, az volt, hogy az ilyen nagyméretű szélerőművek hogyan hatnának az éghajlati rendszerre.
A szélenergia hatásainak becsléséhez Keith és Miller egy szabványos időjárás-előrejelző modell segítségével létrehozta a 2012-2014-es amerikai éghajlat alaphelyzetét. Ezután az USA kontinentális területének egyharmadát lefedték annyi szélturbinával, hogy az megfeleljen a mai amerikai villamosenergia-igénynek. A kutatók megállapították, hogy ez a forgatókönyv 0,24 Celsius-fokkal melegítené az USA kontinentális területének felszíni hőmérsékletét, a legnagyobb változások éjszaka következnének be, amikor a felszíni hőmérséklet akár 1,5 fokkal is emelkedhet. Ez a felmelegedés annak az eredménye, hogy a szélturbinák aktívan keverik a légkört a talaj közelében és a magasban, miközben egyidejűleg kivonják a légkör mozgásából.
Ez a kutatás több mint 10 másik tanulmányt támaszt alá, amelyek felmelegedést figyeltek meg működő amerikai szélerőművek közelében. Miller és Keith összehasonlította szimulációikat az észak-texasi műholdas megfigyelésekkel, és nagyjából egyforma hőmérséklet-emelkedést találtak.
Miller és Keith gyorsan rámutat arra, hogy valószínűtlen, hogy az Egyesült Államokban annyi szélenergiát termeljenek, mint amennyit a forgatókönyvükben szimulálnak, de a lokális felmelegedés még kisebb előrejelzésekben is előfordul. A következő kérdés ezután az, hogy megértsük, mikor a kibocsátáscsökkentés növekvő előnyei nagyjából megegyeznek a szélenergia szinte azonnali hatásaival.
A harvardi kutatók azt találták, hogy a szélerőművek felmelegítő hatása az USA kontinentális részén valójában nagyobb, mint a kibocsátáscsökkentés hatása a működés első évszázadában. Ez azért van így, mert a felmelegítő hatás túlnyomórészt helyi szinten jelentkezik a szélerőműben, míg az üvegházhatású gázok koncentrációját globálisan kell csökkenteni ahhoz, hogy az előnyök érvényesüljenek.
Miller és Keith megismételte a számítást a napenergia esetében, és azt találta, hogy annak éghajlati hatása körülbelül tízszer kisebb, mint a szélenergiaé.
“A szélenergia közvetlen éghajlati hatása azonnal jelentkezik, míg a kibocsátás csökkentéséből származó előnyök lassan halmozódnak fel” – mondta Keith. “Ha a perspektíva a következő 10 év, a szélenergiának valójában – bizonyos szempontból – nagyobb az éghajlati hatása, mint a szénnek vagy a gáznak. Ha a következő ezer évre tekintünk, akkor a szélenergiának sokkal kisebb az éghajlati hatása, mint a szénnek vagy a gáznak.”
“A munkát nem szabad a szélenergia alapvető kritikájának tekinteni” – mondta Keith. “A szélenergia egyes éghajlati hatásai előnyösek lesznek – több globális tanulmány is azt mutatja, hogy a szélenergia hűti a sarkvidékeket. A munkát inkább úgy kell tekinteni, mint az első lépést ahhoz, hogy komolyabban foglalkozzunk az összes megújuló energiaforrás hatásainak értékelésével. Reméljük, hogy tanulmányunk a közelmúltbeli közvetlen megfigyelésekkel együtt fordulópontot jelent, amikor a szélenergia éghajlati hatásai komoly figyelmet kapnak az energiarendszer szén-dioxid-mentesítésével kapcsolatos stratégiai döntésekben.”
A kutatást az Innovatív Éghajlat- és Energiakutatási Alap finanszírozta.