Quando si tratta di produzione di energia, non esiste un pranzo gratis, purtroppo.
Come il mondo inizia la sua transizione su larga scala verso fonti di energia a basse emissioni di carbonio, è fondamentale che i pro e i contro di ogni tipo siano ben compresi e gli impatti ambientali delle energie rinnovabili, per quanto piccoli possano essere rispetto al carbone e al gas, siano considerati.
In due articoli – pubblicati oggi nelle riviste Environmental Research Letters e Joule – i ricercatori dell’Università di Harvard scoprono che la transizione all’energia eolica o solare negli Stati Uniti richiederebbe da cinque a venti volte di più rispetto al passato.Stati Uniti richiederebbe da cinque a 20 volte più terra di quanto si pensasse in precedenza e, se tali parchi eolici su larga scala fossero costruiti, riscalderebbero le temperature medie della superficie degli Stati Uniti continentali di 0,24 gradi Celsius.
“Il vento batte il carbone per qualsiasi misura ambientale, ma questo non significa che i suoi impatti siano trascurabili”, ha detto David Keith, il Gordon McKay Professor di fisica applicata presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e autore senior dei documenti. “Dobbiamo abbandonare rapidamente i combustibili fossili per fermare le emissioni di carbonio. Nel farlo, dobbiamo fare delle scelte tra varie tecnologie a bassa emissione di carbonio, che hanno tutte un certo impatto sociale e ambientale.”
Keith è anche professore di politiche pubbliche alla Harvard Kennedy School.
Uno dei primi passi per capire l’impatto ambientale delle tecnologie rinnovabili è capire quanta terra sarebbe necessaria per soddisfare la futura domanda di energia degli Stati Uniti. Anche partendo dalla domanda di energia di oggi, l’area di terreno e le densità di potenza associate necessarie sono state a lungo dibattute dagli esperti di energia.
Nella ricerca precedente, Keith e i coautori hanno modellato la capacità di generazione di parchi eolici su larga scala e hanno concluso che la generazione di energia eolica nel mondo reale è stata sovrastimata perché hanno trascurato di contabilizzare accuratamente le interazioni tra le turbine e l’atmosfera.
Nella ricerca del 2013, Keith ha descritto come ogni turbina eolica crea un'”ombra del vento” dietro di sé, dove l’aria è stata rallentata dalle pale della turbina. Oggi i parchi eolici su scala commerciale spaziano accuratamente le turbine per ridurre l’impatto di queste ombre del vento, ma data l’aspettativa che i parchi eolici continueranno ad espandersi con l’aumento della domanda di elettricità derivata dal vento, le interazioni e gli impatti climatici associati non possono essere evitati.
Quello che mancava in questa ricerca precedente, tuttavia, erano osservazioni per sostenere la modellazione. Poi, pochi mesi fa, l’U.S. Geological Survey ha rilasciato le posizioni di 57.636 turbine eoliche intorno agli Stati Uniti. Utilizzando questo set di dati, in combinazione con diversi altri database del governo degli Stati Uniti, Keith e il postdoc Lee Miller sono stati in grado di quantificare la densità di potenza di 411 parchi eolici e 1.150 impianti solari fotovoltaici operativi negli Stati Uniti durante il 2016.S. durante il 2016.
“Per l’eolico, abbiamo scoperto che la densità di potenza media – che significa il tasso di generazione di energia diviso per l’area comprendente l’impianto eolico – era fino a 100 volte inferiore alle stime di alcuni esperti di energia leader”, ha detto Miller, che è il primo autore di entrambi i documenti. “La maggior parte di queste stime non ha considerato l’interazione turbina-atmosfera. Per una turbina eolica isolata, le interazioni non sono affatto importanti, ma una volta che i parchi eolici sono più di cinque o 10 chilometri di profondità, queste interazioni hanno un grande impatto sulla densità di potenza”.S. Department of Energy e dell’Intergovernmental Panel on Climate Change.
Per l’energia solare, la densità di potenza media (misurata in watt per metro quadrato) è 10 volte superiore a quella dell’energia eolica, ma anche molto inferiore alle stime dei principali esperti di energia.
Questa ricerca suggerisce che non solo i parchi eolici richiederanno più terra per raggiungere gli obiettivi di energia rinnovabile proposti, ma anche che, su una scala così grande, diventerebbero un attore attivo nel sistema climatico.
La domanda successiva, come esplorato nella rivista Joule, era come tali parchi eolici su larga scala avrebbero avuto un impatto sul sistema climatico.
Per stimare gli impatti dell’energia eolica, Keith e Miller hanno stabilito una linea di base per il clima degli Stati Uniti 2012-2014 utilizzando un modello standard di previsione del tempo. Poi, hanno coperto un terzo degli Stati Uniti continentali con abbastanza turbine eoliche per soddisfare l’attuale domanda di energia elettrica degli Stati Uniti. I ricercatori hanno scoperto che questo scenario riscalderebbe la temperatura superficiale degli Stati Uniti continentali di 0,24 gradi Celsius, con i maggiori cambiamenti che si verificano di notte, quando le temperature superficiali aumentano fino a 1,5 gradi. Questo riscaldamento è il risultato delle turbine eoliche che mescolano attivamente l’atmosfera vicino al suolo e in alto, mentre simultaneamente estraggono dal movimento dell’atmosfera.
Questa ricerca supporta più di 10 altri studi che hanno osservato il riscaldamento vicino ai parchi eolici operativi negli Stati Uniti. Miller e Keith hanno confrontato le loro simulazioni con gli studi di osservazione satellitare nel Texas settentrionale e hanno trovato aumenti di temperatura più o meno coerenti.
Miller e Keith si affrettano a sottolineare l’improbabilità che gli Stati Uniti generino tanta energia eolica quanta ne simulano nel loro scenario, ma il riscaldamento localizzato si verifica in proiezioni ancora più piccole. La domanda successiva è quindi capire quando i benefici crescenti della riduzione delle emissioni sono all’incirca uguali agli impatti quasi istantanei dell’energia eolica.
I ricercatori di Harvard hanno scoperto che l’effetto di riscaldamento delle turbine eoliche negli Stati Uniti continentali era effettivamente più grande dell’effetto della riduzione delle emissioni per il primo secolo di funzionamento. Questo perché l’effetto di riscaldamento è prevalentemente locale al parco eolico, mentre le concentrazioni di gas serra devono essere ridotte a livello globale prima che i benefici siano realizzati.
Miller e Keith hanno ripetuto il calcolo per l’energia solare e hanno scoperto che il suo impatto sul clima era circa 10 volte più piccolo di quello del vento.
“Gli impatti climatici diretti dell’energia eolica sono immediati, mentre i benefici della riduzione delle emissioni si accumulano lentamente”, ha detto Keith. “Se la vostra prospettiva è quella dei prossimi 10 anni, l’energia eolica ha effettivamente – per certi aspetti – più impatto sul clima del carbone o del gas. Se la vostra prospettiva è il prossimo migliaio di anni, allora l’energia eolica ha un impatto climatico enormemente inferiore a quello del carbone o del gas.
“Il lavoro non dovrebbe essere visto come una critica fondamentale dell’energia eolica”, ha detto. “Alcuni degli impatti climatici dell’eolico saranno benefici – diversi studi globali mostrano che l’energia eolica raffredda le regioni polari”. Piuttosto, il lavoro dovrebbe essere visto come un primo passo verso una più seria valutazione di questi impatti per tutte le rinnovabili. La nostra speranza è che il nostro studio, combinato con le recenti osservazioni dirette, segni un punto di svolta in cui gli impatti climatici dell’energia eolica comincino a ricevere una seria considerazione nelle decisioni strategiche sulla decarbonizzazione del sistema energetico.”
Questa ricerca è stata finanziata dal Fund for Innovative Climate and Energy Research.