Wanneer het op energieproductie aankomt, bestaat er helaas niet zoiets als een gratis lunch.
Als de wereld aan zijn grootschalige overgang naar koolstofarme energiebronnen begint, is het van vitaal belang dat de voor- en nadelen van elk type goed worden begrepen en dat de milieueffecten van hernieuwbare energie, hoe klein ze ook mogen zijn in vergelijking met steenkool en gas, in aanmerking worden genomen.
In twee artikelen – vandaag gepubliceerd in de tijdschriften Environmental Research Letters en Joule – stellen onderzoekers van de Harvard University dat de overgang op wind- of zonne-energie in de V.S. vijf tot twintig keer zoveel energie zou vergen als in de VS.VS vijf tot twintig keer meer land nodig zou hebben dan eerder werd gedacht, en dat, als dergelijke grootschalige windmolenparken zouden worden gebouwd, de gemiddelde oppervlaktetemperatuur op het vasteland van de VS met 0,24 graden Celsius zou opwarmen.
“Wind verslaat steenkool in elke milieumaatstaf, maar dat betekent niet dat de effecten ervan te verwaarlozen zijn,” zei David Keith, de Gordon McKay hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en senior auteur van de papers. “We moeten snel afstappen van fossiele brandstoffen om de koolstofuitstoot te stoppen. Daarbij moeten we keuzes maken tussen verschillende koolstofarme technologieën, die allemaal bepaalde sociale en milieueffecten hebben.”
Keith is ook hoogleraar overheidsbeleid aan de Harvard Kennedy School.
Een van de eerste stappen om de milieueffecten van hernieuwbare technologieën te begrijpen, is te begrijpen hoeveel land er nodig zou zijn om aan de toekomstige energievraag van de VS te voldoen. Zelfs als we uitgaan van de huidige energiebehoefte, zijn het benodigde landoppervlak en de bijbehorende vermogensdichtheid al lang onderwerp van discussie onder energiedeskundigen.
In eerder onderzoek modelleerden Keith en coauteurs de opwekkingscapaciteit van grootschalige windmolenparken en concludeerden dat de werkelijke opwekking van windenergie was overschat, omdat ze hadden nagelaten nauwkeurig rekening te houden met de interacties tussen turbines en de atmosfeer.
In het onderzoek van 2013 beschreef Keith hoe elke windturbine een “windschaduw” achter zich creëert waar de lucht is afgeremd door de bladen van de turbine. Commerciële windparken van tegenwoordig plaatsen de turbines zorgvuldig om de impact van deze windschaduwen te verminderen, maar gezien de verwachting dat windparken zullen blijven uitbreiden naarmate de vraag naar uit wind opgewekte elektriciteit toeneemt, kunnen interacties en de bijbehorende klimatologische effecten niet worden vermeden.
Wat echter ontbrak in dit eerdere onderzoek, waren waarnemingen om de modellering te ondersteunen. Toen, een paar maanden geleden, gaf de U.S. Geological Survey de locaties vrij van 57.636 windturbines rond de VS. Met behulp van deze dataset, in combinatie met verschillende andere databases van de Amerikaanse overheid, waren Keith en postdoctoraal medewerker Lee Miller in staat om de vermogensdichtheid te kwantificeren van 411 windparken en 1.150 fotovoltaïsche zonne-energiecentrales die in 2016 in de V.S. in bedrijf waren.S. gedurende 2016.
“Voor wind vonden we dat de gemiddelde vermogensdichtheid – dat wil zeggen de snelheid van energieopwekking gedeeld door het omsluitende gebied van de windinstallatie – tot 100 keer lager was dan schattingen van sommige toonaangevende energiedeskundigen,” zei Miller, die de eerste auteur is van beide papers. “De meeste van deze schattingen hielden geen rekening met de interactie tussen turbine en atmosfeer. Voor een geïsoleerde windturbine zijn de interacties helemaal niet belangrijk, maar zodra de windparken meer dan vijf tot tien kilometer diep zijn, hebben deze interacties een grote invloed op de vermogensdichtheid.”
De op waarnemingen gebaseerde windvermogensdichtheden zijn ook veel lager dan belangrijke schattingen van het U.S. Department of Energy en het Intergovernmental Panel on Climate Change.
Voor zonne-energie is de gemiddelde vermogensdichtheid (gemeten in watt per vierkante meter) tien keer zo hoog als voor windenergie, maar ook veel lager dan de schattingen van vooraanstaande energiedeskundigen.
Dit onderzoek suggereert dat windmolenparken niet alleen meer land zullen vergen om de voorgestelde doelstellingen voor hernieuwbare energie te halen, maar dat ze op zo’n grote schaal ook een actieve speler in het klimaatsysteem zouden worden.
De volgende vraag, zoals onderzocht in het tijdschrift Joule, was hoe dergelijke grootschalige windmolenparken het klimaatsysteem zouden beïnvloeden.
Om de effecten van windenergie in te schatten, stelden Keith en Miller een basislijn op voor het klimaat in de VS in 2012-2014 met behulp van een standaard weervoorspellingsmodel. Vervolgens bedekten ze een derde van het vasteland van de VS met genoeg windturbines om aan de huidige vraag naar elektriciteit in de VS te voldoen. De onderzoekers ontdekten dat dit scenario de oppervlaktetemperatuur van het vasteland van de VS met 0,24 graden Celsius zou doen opwarmen, waarbij de grootste veranderingen ’s nachts zouden optreden, wanneer de oppervlaktetemperaturen met maximaal 1,5 graden zouden stijgen. Deze opwarming is het gevolg van het feit dat windturbines de atmosfeer nabij de grond en in de lucht actief mengen en tegelijkertijd aan de beweging van de atmosfeer onttrekken.
Dit onderzoek ondersteunt meer dan 10 andere studies die opwarming in de buurt van operationele windparken in de VS hebben waargenomen. Miller en Keith vergeleken hun simulaties met satelliet-observatiestudies in Noord-Texas en vonden ruwweg consistente temperatuurstijgingen.
Miller en Keith wijzen er snel op dat het onwaarschijnlijk is dat de VS zoveel windenergie genereert als zij in hun scenario simuleren, maar gelokaliseerde opwarming treedt op in nog kleinere projecties. De vervolgvraag is dan wanneer de groeiende voordelen van emissiereductie ongeveer gelijk zijn aan de bijna onmiddellijke effecten van windenergie.
De Harvard-onderzoekers ontdekten dat het opwarmingseffect van windturbines op het vasteland van de VS in feite groter was dan het effect van verminderde emissies gedurende de eerste eeuw van de werking ervan. Dit komt omdat het opwarmingseffect voornamelijk lokaal is voor het windmolenpark, terwijl broeikasgasconcentraties wereldwijd moeten worden verminderd voordat de voordelen worden gerealiseerd.
Miller en Keith herhaalden de berekening voor zonne-energie en ontdekten dat de klimaateffecten daarvan ongeveer 10 keer kleiner waren dan die van wind.
“De directe klimaateffecten van windenergie zijn onmiddellijk, terwijl de voordelen van verminderde emissies zich langzaam opstapelen,” zei Keith. “Als je kijkt naar de komende 10 jaar, dan heeft windenergie – in sommige opzichten – meer invloed op het klimaat dan kolen of gas. Als je kijkt naar de komende duizend jaar, dan heeft windenergie enorm veel minder impact op het klimaat dan kolen of gas.
“Het werk moet niet worden gezien als een fundamentele kritiek op windenergie,” zei hij. “Sommige van de klimaateffecten van windenergie zullen gunstig zijn – verschillende wereldwijde studies tonen aan dat windenergie de poolgebieden afkoelt. Het werk moet eerder worden gezien als een eerste stap naar een serieuzere beoordeling van deze effecten voor alle hernieuwbare energiebronnen. Onze hoop is dat onze studie, in combinatie met de recente directe waarnemingen, een keerpunt vormt waar de klimaateffecten van windenergie serieus in overweging worden genomen bij strategische beslissingen over het koolstofvrij maken van het energiesysteem.”
Dit onderzoek werd gefinancierd door het Fonds voor Innovatief Klimaat- en Energieonderzoek.