Farmy wiatrowe mają większy wpływ na środowisko niż wcześniej sądzono

Jeśli chodzi o produkcję energii, niestety nie ma czegoś takiego jak darmowy obiad.

W miarę jak świat zaczyna na dużą skalę przechodzić na niskoemisyjne źródła energii, ważne jest, aby dobrze zrozumieć zalety i wady każdego rodzaju energii oraz rozważyć wpływ energii odnawialnej na środowisko, choć może on być niewielki w porównaniu z węglem i gazem.

W dwóch artykułach - opublikowanych dziś w czasopismach Environmental Research Letters i Joule - naukowcy z Uniwersytetu Harvarda stwierdzili, że przejście na energię wiatrową lub słoneczną w USA wymagałoby od pięciu do 20 razy więcej gruntów niż wcześniej sądzono, a gdyby takie farmy wiatrowe na dużą skalę zostały zbudowane, spowodowałoby to wzrost średniej temperatury powierzchni nad kontynentalnymi Stanami Zjednoczonymi o 0,24 stopnia Celsjusza.

"Wiatr bije węgiel pod każdym względem środowiskowym, ale to nie znaczy, że jego wpływ jest znikomy" - powiedział David Keith, profesor fizyki stosowanej Gordon McKay w Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) i starszy autor artykułów. "Musimy szybko odejść od paliw kopalnych, aby zatrzymać emisję dwutlenku węgla. Robiąc to, musimy dokonywać wyborów między różnymi technologiami niskoemisyjnymi, z których wszystkie mają pewien wpływ na społeczeństwo i środowisko".

Keith jest również profesorem polityki publicznej w Harvard Kennedy School.

Jednym z pierwszych kroków do zrozumienia wpływu technologii odnawialnych na środowisko jest zrozumienie, ile gruntów byłoby potrzebnych do zaspokojenia przyszłego zapotrzebowania na energię w USA. Nawet zaczynając od dzisiejszego zapotrzebowania na energię, wymagana powierzchnia gruntów i związana z nią gęstość mocy od dawna są przedmiotem debaty ekspertów ds. energii.

We wcześniejszych badaniach Keith i współautorzy modelowali moc generowaną przez wielkoskalowe farmy wiatrowe i doszli do wniosku, że rzeczywiste wytwarzanie energii wiatrowej zostało przeszacowane, ponieważ zaniedbali dokładne uwzględnienie interakcji między turbinami a atmosferą.

"Bezpośredni wpływ energii wiatrowej na klimat jest natychmiastowy, podczas gdy korzyści wynikające z ograniczenia emisji kumulują się powoli".

- David Keith

W badaniach z 2013 roku Keith opisał, w jaki sposób każda turbina wiatrowa tworzy za sobą "cień wiatru", w którym powietrze zostało spowolnione przez łopaty turbiny. Dzisiejsze farmy wiatrowe na skalę komercyjną ostrożnie rozmieszczają turbiny, aby zmniejszyć wpływ tych cieni wiatrowych, ale biorąc pod uwagę oczekiwanie, że farmy wiatrowe będą nadal się rozwijać wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną pochodzącą z wiatru, nie można uniknąć interakcji i związanego z nimi wpływu na klimat.

W poprzednich badaniach brakowało jednak obserwacji wspierających modelowanie. Kilka miesięcy temu amerykańskie służby geologiczne opublikowały lokalizacje 57 636 turbin wiatrowych w USA. Korzystając z tego zestawu danych, w połączeniu z kilkoma innymi bazami danych rządu USA, Keith i doktorant Lee Miller byli w stanie określić gęstość mocy 411 farm wiatrowych i 1 150 elektrowni fotowoltaicznych działających w USA w 2016 roku.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.09.009

"W przypadku wiatru odkryliśmy, że średnia gęstość mocy - oznaczająca szybkość wytwarzania energii podzieloną przez obszar obejmujący elektrownię wiatrową - była nawet 100 razy niższa niż szacunki niektórych wiodących ekspertów ds. energii" - powiedział Miller, który jest pierwszym autorem obu artykułów. "Większość z tych szacunków nie uwzględniała interakcji turbiny z atmosferą. W przypadku odizolowanej turbiny wiatrowej interakcje nie są w ogóle ważne, ale gdy farmy wiatrowe znajdują się na głębokości większej niż pięć do dziesięciu kilometrów, interakcje te mają duży wpływ na gęstość mocy".

Gęstości mocy wiatru oparte na obserwacjach są również znacznie niższe niż ważne szacunki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i Międzyrządowego Zespołu do spraw Zmian Klimatu.

W przypadku energii słonecznej średnia gęstość mocy (mierzona w watach na metr kwadratowy) jest 10 razy wyższa niż w przypadku energii wiatrowej, ale także znacznie niższa niż szacunki wiodących ekspertów ds. energii.

Badania te sugerują, że farmy wiatrowe nie tylko będą wymagały więcej gruntów, aby osiągnąć proponowane cele w zakresie energii odnawialnej, ale także, na tak dużą skalę, staną się aktywnym graczem w systemie klimatycznym.

Kolejnym pytaniem, jak zbadano w czasopiśmie Joule, było to, w jaki sposób takie wielkoskalowe farmy wiatrowe wpłyną na system klimatyczny.

"Jeśli spojrzeć na najbliższe 10 lat, energia wiatrowa ma - pod pewnymi względami - większy wpływ na klimat niż węgiel czy gaz. Jeśli perspektywa obejmuje następne tysiąc lat, to energia wiatrowa ma znacznie mniejszy wpływ na klimat niż węgiel czy gaz".

- David Keith

Aby oszacować wpływ energii wiatrowej, Keith i Miller ustalili punkt odniesienia dla klimatu Stanów Zjednoczonych w latach 2012-2014 przy użyciu standardowego modelu prognozowania pogody. Następnie pokryli jedną trzecią kontynentalnych Stanów Zjednoczonych wystarczającą liczbą turbin wiatrowych, aby zaspokoić obecne zapotrzebowanie na energię elektryczną w USA. Naukowcy odkryli, że ten scenariusz spowodowałby wzrost temperatury powierzchni kontynentalnych Stanów Zjednoczonych o 0,24 stopnia Celsjusza, przy czym największe zmiany wystąpiłyby w nocy, kiedy temperatura powierzchni wzrosłaby nawet o 1,5 stopnia. Ocieplenie to jest wynikiem tego, że turbiny wiatrowe aktywnie mieszają atmosferę w pobliżu ziemi i w górze, jednocześnie czerpiąc z ruchu atmosfery.

Badania te wspierają ponad 10 innych badań, w których zaobserwowano ocieplenie w pobliżu działających amerykańskich farm wiatrowych. Miller i Keith porównali swoje symulacje z satelitarnymi badaniami obserwacyjnymi w północnym Teksasie i stwierdzili mniej więcej spójny wzrost temperatury.

Miller i Keith szybko zwracają uwagę na nieprawdopodobieństwo wygenerowania przez Stany Zjednoczone takiej ilości energii wiatrowej, jaką symulują w swoim scenariuszu, ale lokalne ocieplenie występuje nawet w mniejszych prognozach. Kolejnym pytaniem jest zatem zrozumienie, kiedy rosnące korzyści z redukcji emisji są w przybliżeniu równe niemal natychmiastowemu wpływowi energii wiatrowej.

Naukowcy z Harvardu odkryli, że efekt ocieplenia klimatu przez wykorzystanie turbin wiatrowych w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych był w rzeczywistości większy niż efekt redukcji emisji w pierwszym stuleciu ich działania. Wynika to z faktu, że efekt ocieplenia jest głównie lokalny dla farmy wiatrowej, podczas gdy stężenie gazów cieplarnianych musi zostać zmniejszone globalnie, zanim korzyści zostaną osiągnięte.

Miller i Keith powtórzyli obliczenia dla energii słonecznej i stwierdzili, że jej wpływ na klimat był około 10 razy mniejszy niż wpływ wiatru.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.09.009

"Bezpośredni wpływ energii wiatrowej na klimat jest natychmiastowy, podczas gdy korzyści wynikające z ograniczenia emisji kumulują się powoli" - powiedział Keith. "Jeśli spojrzymy na najbliższe 10 lat, energia wiatrowa ma - pod pewnymi względami - większy wpływ na klimat niż węgiel czy gaz. Jeśli perspektywa obejmuje następne tysiąc lat, to energia wiatrowa ma znacznie mniejszy wpływ na klimat niż węgiel czy gaz".

zobacz też:

Alarmujące badanie - Globalne ocieplenie przez turbiny wiatrowe? (altershot.tv)

"Praca ta nie powinna być postrzegana jako fundamentalna krytyka energii wiatrowej" - powiedział. "Niektóre wpływy 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 tego wpływu dla wszystkich odnawialnych źródeł energii. Mamy nadzieję, że nasze badanie, w połączeniu z ostatnimi bezpośrednimi obserwacjami, wyznaczy punkt zwrotny, w którym wpływ energii wiatrowej na klimat zacznie być poważnie brany pod uwagę przy podejmowaniu strategicznych decyzji dotyczących dekarbonizacji systemu energetycznego".

Badania te zostały sfinansowane przez Fundusz na rzecz Innowacyjnych Badań nad Klimatem i Energią.

autor:

Leah Burrows, SEAS Communications

źródło:

https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/10/large-scale-wind-power-has-its-down-side/