När det gäller energiproduktion finns det tyvärr ingen gratis lunch.
När världen börjar sin storskaliga övergång till energikällor med låga koldioxidutsläpp är det viktigt att för- och nackdelar med varje typ av energikälla förstås väl och att miljökonsekvenserna av förnybar energi, hur små de än må vara i jämförelse med kol och gas, beaktas.
I två artiklar – som i dag publiceras i tidskrifterna Environmental Research Letters och Joule – finner forskare från Harvard University att övergången till vind- eller solkraft i U.USA skulle kräva fem till 20 gånger mer mark än man tidigare trott, och om sådana storskaliga vindkraftparker byggdes skulle den genomsnittliga yttemperaturen över det amerikanska fastlandet värmas upp med 0,24 grader Celsius.
”Vindkraft slår kol med alla miljömått, men det betyder inte att dess effekter är försumbara”, säger David Keith, professor i tillämpad fysik (Gordon McKay Professor of Applied Physics) vid John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vid Harvard och huvudförfattare till artiklarna. ”Vi måste snabbt övergå från fossila bränslen för att stoppa koldioxidutsläppen. När vi gör det måste vi göra val mellan olika tekniker med låga koldioxidutsläpp, som alla har vissa sociala och miljömässiga konsekvenser.”
Keith är också professor i offentlig politik vid Harvard Kennedy School.
Ett av de första stegen för att förstå miljökonsekvenserna av förnybara tekniker är att förstå hur mycket mark som skulle behövas för att tillgodose USA:s framtida energibehov. Även om man utgår från dagens energibehov har energiexperter länge diskuterat vilken markyta och tillhörande effekttäthet som krävs.
I tidigare forskning modellerade Keith och medförfattare produktionskapaciteten för storskaliga vindkraftverk och drog slutsatsen att den verkliga vindkraftsproduktionen hade överskattats, eftersom de försummade att noggrant ta hänsyn till interaktionerna mellan turbiner och atmosfären.
I forskningen från 2013 beskrev Keith hur varje vindkraftverk skapar en ”vindskugga” bakom sig där luften har bromsats upp av vindkraftverkets blad. Dagens vindkraftverk i kommersiell skala placerar noggrant turbinerna för att minska effekterna av dessa vindskuggor, men med tanke på att man förväntar sig att vindkraftverken kommer att fortsätta att expandera i takt med att efterfrågan på el från vindkraft ökar, kan interaktioner och tillhörande klimatpåverkan inte undvikas.
Vad som saknades i denna tidigare forskning var dock observationer för att stödja modelleringen. För några månader sedan offentliggjorde U.S. Geological Survey information om var 57 636 vindkraftverk runt om i USA står. Med hjälp av denna datamängd, i kombination med flera andra databaser från den amerikanska regeringen, kunde Keith och postdoktorn Lee Miller kvantifiera effekttätheten hos 411 vindkraftverk och 1 150 solcellsanläggningar som är i drift i USA.USA under 2016.
”När det gäller vindkraft fann vi att den genomsnittliga effekttätheten – dvs. energiproduktionen dividerad med vindkraftverkets yta – var upp till 100 gånger lägre än vad som uppskattats av vissa ledande energiexperter”, säger Miller, som är försteförfattare till båda artiklarna. ”De flesta av dessa uppskattningar tog inte hänsyn till växelverkan mellan vindkraftverk och atmosfär. För ett isolerat vindkraftverk är växelverkan inte alls viktig, men när vindkraftverken väl är mer än fem till tio kilometer djupa har denna växelverkan en stor inverkan på effekttätheten.”
De observationsbaserade vindkrafttätheterna är också mycket lägre än viktiga uppskattningar från U.USA:s energidepartement och den mellanstatliga panelen för klimatförändringar.
För solenergi är den genomsnittliga effekttätheten (mätt i watt per kvadratmeter) tio gånger högre än för vindkraft, men också mycket lägre än uppskattningar från ledande energiexperter.
Denna forskning tyder på att vindkraftverk inte bara kommer att kräva mer mark för att uppnå de föreslagna målen för förnybar energi, utan också att de i så stor skala skulle bli en aktiv aktör i klimatsystemet.
Nästa fråga, som undersöktes i tidskriften Joule, var hur sådana storskaliga vindkraftverk skulle påverka klimatsystemet.
För att uppskatta vindkraftens påverkan fastställde Keith och Miller en baslinje för klimatet i USA 2012-2014 med hjälp av en standardiserad modell för väderprognoser. Därefter täckte de en tredjedel av USA:s fastland med tillräckligt många vindkraftverk för att tillgodose USA:s nuvarande efterfrågan på el. Forskarna fann att detta scenario skulle värma upp yttemperaturen i det kontinentala USA med 0,24 grader Celsius, med de största förändringarna på natten då yttemperaturen ökade med upp till 1,5 grader. Denna uppvärmning är ett resultat av att vindkraftverk aktivt blandar atmosfären nära marken och i luften samtidigt som de drar nytta av atmosfärens rörelse.
Denna forskning stöder mer än 10 andra studier som observerat uppvärmning nära vindkraftverk i drift i USA. Miller och Keith jämförde sina simuleringar med satellitbaserade observationsstudier i norra Texas och fann ungefär samma temperaturökningar.
Miller och Keith är snabba med att påpeka det osannolika i att USA skulle generera så mycket vindkraft som de simulerar i sitt scenario, men en lokaliserad uppvärmning sker även i ännu mindre projektioner. Följdfrågan är då att förstå när de växande fördelarna med minskade utsläpp är ungefär lika stora som vindkraftens nästan omedelbara effekter.
Harvardforskarna fann att den uppvärmande effekten av vindkraftverk i det kontinentala USA faktiskt var större än effekten av minskade utsläpp under det första århundradet av dess drift. Detta beror på att uppvärmningseffekten främst är lokal för vindkraftparken, medan koncentrationerna av växthusgaser måste minskas globalt innan fördelarna realiseras.
Miller och Keith upprepade beräkningen för solkraft och fann att dess klimatpåverkan var cirka 10 gånger mindre än vindkraftverkens.
”Den direkta klimatpåverkan från vindkraft är omedelbar, medan fördelarna av minskade utsläpp ackumuleras långsamt”, säger Keith. ”Om ditt perspektiv är de närmaste 10 åren har vindkraft faktiskt – i vissa avseenden – större klimatpåverkan än kol eller gas. Om perspektivet är de närmaste tusen åren har vindkraft en enormt mycket mindre klimatpåverkan än kol eller gas.”
”Arbetet ska inte ses som en grundläggande kritik av vindkraft”, sade han. ”En del av vindkraftens klimatpåverkan kommer att vara fördelaktig – flera globala studier visar att vindkraft kyler polarområdena. Arbetet bör snarare ses som ett första steg mot att på allvar börja bedöma dessa effekter för alla förnybara energikällor. Vår förhoppning är att vår studie, i kombination med de senaste direkta observationerna, markerar en vändpunkt där vindkraftens klimatpåverkan börjar beaktas på allvar i strategiska beslut om att minska koldioxidutsläppen från energisystemet.”
Denna forskning finansierades av fonden för innovativ klimat- och energiforskning.