Jeśli chodzi o produkcję energii, nie ma czegoś takiego jak darmowy lunch, niestety.
Jak świat zaczyna swoją transformację na dużą skalę w kierunku niskoemisyjnych źródeł energii, ważne jest, aby plusy i minusy każdego typu były dobrze rozumiane, a wpływ na środowisko energii odnawialnej, niewielki, jak mogą być w porównaniu z węglem i gazem, jest brany pod uwagę.
W dwóch pracach – opublikowanych dzisiaj w czasopismach Environmental Research Letters i Joule – naukowcy z Uniwersytetu Harvarda stwierdzają, że przejście na energię wiatrową lub słoneczną w U.S. wymagałoby od pięciu do 20 razy więcej ziemi niż wcześniej sądzono, a jeśli takie farmy wiatrowe na dużą skalę zostałyby zbudowane, ociepliłyby średnie temperatury powierzchni nad kontynentalną częścią USA o 0,24 stopnia Celsjusza.
„Wiatr bije węgiel pod każdym względem środowiskowym, ale to nie znaczy, że jego wpływ jest nieistotny”, powiedział David Keith, profesor fizyki stosowanej Gordon McKay w Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) i starszy autor prac. „Musimy szybko odejść od paliw kopalnych, aby zatrzymać emisję dwutlenku węgla. Czyniąc to, musimy dokonywać wyborów pomiędzy różnymi technologiami niskoemisyjnymi, z których wszystkie mają pewne skutki społeczne i środowiskowe.”
Keith jest również profesorem polityki publicznej w Harvard Kennedy School.
Jednym z pierwszych kroków do zrozumienia wpływu technologii odnawialnych na środowisko jest zrozumienie, ile ziemi byłoby wymagane do zaspokojenia przyszłego zapotrzebowania na energię w USA. Nawet zaczynając od dzisiejszego zapotrzebowania na energię, obszar lądowy i związane z nim wymagane gęstości mocy są od dawna przedmiotem debaty ekspertów energetycznych.
W poprzednich badaniach Keith i współautorzy modelowali moc generowaną przez wielkoskalowe farmy wiatrowe i doszli do wniosku, że generowanie energii wiatrowej w świecie rzeczywistym zostało przeszacowane, ponieważ zaniedbano dokładne uwzględnienie interakcji między turbinami a atmosferą.
W badaniach z 2013 roku Keith opisał, jak każda turbina wiatrowa tworzy za sobą „cień wiatru”, w którym powietrze zostało spowolnione przez łopaty turbiny. Dzisiejsze farmy wiatrowe na skalę komercyjną starannie rozmieszczają turbiny w celu zmniejszenia wpływu tych cieni, ale biorąc pod uwagę oczekiwanie, że farmy wiatrowe będą się nadal rozwijać wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną pochodzącą z wiatru, nie da się uniknąć interakcji i powiązanych z nimi oddziaływań klimatycznych.
W tych poprzednich badaniach brakowało jednak obserwacji wspierających modelowanie. Następnie, kilka miesięcy temu, U.S. Geological Survey opublikował lokalizacje 57 636 turbin wiatrowych w USA. Korzystając z tego zestawu danych, w połączeniu z kilkoma innymi bazami danych rządu USA, Keith i współpracownik Lee Miller byli w stanie określić gęstość mocy 411 farm wiatrowych i 1150 elektrowni fotowoltaicznych działających w USA w 2016 roku.S. during 2016.
„W przypadku wiatru stwierdziliśmy, że średnia gęstość mocy – oznaczająca tempo wytwarzania energii podzielone przez obejmujący obszar elektrowni wiatrowej – była do 100 razy niższa niż szacunki niektórych wiodących ekspertów energetycznych” – powiedział Miller, który jest pierwszym autorem obu prac. „Większość z tych szacunków nie brała pod uwagę interakcji turbina-atmosfera. Dla odizolowanej turbiny wiatrowej, interakcje nie są w ogóle ważne, ale gdy farmy wiatrowe mają więcej niż pięć do 10 kilometrów głębokości, te interakcje mają duży wpływ na gęstość mocy.”
Gęstości mocy wiatru oparte na obserwacjach są również znacznie niższe niż ważne szacunki z U.W przypadku energii słonecznej, średnia gęstość mocy (mierzona w watach na metr kwadratowy) jest 10 razy wyższa niż w przypadku energii wiatrowej, ale również znacznie niższa niż szacunki wiodących ekspertów w dziedzinie energii.
Badania te sugerują, że nie tylko farmy wiatrowe będą wymagać więcej ziemi, aby osiągnąć proponowane cele w zakresie energii odnawialnej, ale również, na tak dużą skalę, staną się aktywnym graczem w systemie klimatycznym.
Kolejnym pytaniem, jak zbadano w czasopiśmie Joule, było to, jak takie farmy wiatrowe na dużą skalę wpłyną na system klimatyczny.
Aby oszacować wpływ energii wiatrowej, Keith i Miller ustanowili linię bazową dla klimatu Stanów Zjednoczonych w latach 2012-2014 przy użyciu standardowego modelu prognozowania pogody. Następnie pokryli jedną trzecią kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych turbinami wiatrowymi w ilości wystarczającej do zaspokojenia obecnego zapotrzebowania na energię elektryczną w USA. Badacze odkryli, że taki scenariusz spowodowałby ocieplenie temperatury powierzchni kontynentalnej części USA o 0,24 stopnia Celsjusza, przy czym największe zmiany wystąpiłyby w nocy, kiedy temperatura powierzchni wzrosłaby nawet o 1,5 stopnia. To ocieplenie jest wynikiem aktywnego mieszania atmosfery przez turbiny wiatrowe w pobliżu ziemi i w górze, przy jednoczesnym wykorzystaniu ruchu atmosfery.
Badania te wspierają ponad 10 innych badań, które zaobserwowały ocieplenie w pobliżu działających farm wiatrowych w USA. Miller i Keith porównali swoje symulacje z satelitarnymi badaniami obserwacyjnymi w Północnym Teksasie i znaleźli mniej więcej spójne wzrosty temperatury.
Miller i Keith szybko zwracają uwagę na nieprawdopodobieństwo wygenerowania przez USA takiej ilości energii wiatrowej, jaką symulują w swoim scenariuszu, ale lokalne ocieplenie występuje nawet w mniejszych prognozach. Kolejnym pytaniem jest więc zrozumienie, kiedy rosnące korzyści z redukcji emisji są w przybliżeniu równe niemal natychmiastowym efektom energii wiatrowej.
Badacze z Harvardu odkryli, że efekt ocieplenia wywołany przez turbiny wiatrowe w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych był w rzeczywistości większy niż efekt redukcji emisji w pierwszym stuleciu ich działania. Dzieje się tak dlatego, że efekt ocieplenia jest głównie lokalny dla farmy wiatrowej, podczas gdy stężenie gazów cieplarnianych musi zostać zmniejszone globalnie, zanim korzyści zostaną zrealizowane.
Miller i Keith powtórzyli obliczenia dla energii słonecznej i stwierdzili, że jej wpływ na klimat był około 10 razy mniejszy niż wpływ wiatru.
„Bezpośredni wpływ na klimat energii wiatrowej jest natychmiastowy, podczas gdy korzyści z redukcji emisji akumulują się powoli”, powiedział Keith. „Jeśli perspektywa obejmuje najbliższe 10 lat, energia wiatrowa ma – pod pewnymi względami – większy wpływ na klimat niż węgiel czy gaz. Jeśli natomiast perspektywa obejmuje następne tysiąc lat, wówczas energetyka wiatrowa ma ogromnie mniejszy wpływ na klimat niż węgiel czy gaz.
„Praca ta nie powinna być postrzegana jako fundamentalna krytyka energetyki wiatrowej”, powiedział. „Niektóre z wpływów wiatru na klimat będą korzystne – kilka globalnych badań pokazuje, że energia wiatrowa chłodzi regiony polarne. Praca ta powinna być raczej postrzegana jako pierwszy krok w kierunku poważniejszej oceny tych oddziaływań dla wszystkich źródeł odnawialnych. Mamy nadzieję, że nasze badanie, w połączeniu z ostatnimi bezpośrednimi obserwacjami, wyznacza punkt zwrotny, w którym wpływy klimatyczne energii wiatrowej zaczną być poważnie brane pod uwagę w strategicznych decyzjach dotyczących dekarbonizacji systemu energetycznego.”
Badania te zostały sfinansowane przez Fund for Innovative Climate and Energy Research.
.