Wraz z skalowaniem się systemów czystej energii konieczna jest analiza wszystkich alternatywnych jej źródeł, by zrozumieć jakie są wady i zalety poszczególnych systemów i jak wypadają one w porównaniu do gazu ziemnego czy węgla, jako paliwa dla elektrowni.

Niedawno ukazały się dwie istotne publikacje naukowe na ten temat. Wydrukowano je w Environmental Research Letters oraz Joule. Autorami obu prac są naukowcy z Uniwersytetu w Harvardzie. Wskazali oni, że aby zaspokoić energetyczny głód transformującej się gospodarki Stanów Zjednoczonych, do budowy elektrowni wiatrowych potrzebne jest od pięciu do dwudziestu razy więcej powierzchni, niż wcześniej sądzono.

w

Ponadto tak ogromna ilość turbin wiatrowych może mieć zauważalny wpływ na sam klimat. Jeśli zrealizowano by te ogromne inwestycje, o których mowa w publikacjach, to średnia temperatura powierzchni gruntu w USA wzrosnąć może o 0,24 stopnia Celsjusza – to i tak dużo mniej niż pochodzi z antropogenicznych zmian klimatycznych, ale nie jest obojętne dla środowiska.

„Wiatr pokonuje węgiel we wszelkich aspektach środowiskowych, ale to nie znaczy, że jego wpływ na środowisko jest pomijalny”, mówi David Keith, profesor fizyki stosowanej w Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) oraz współautor artykułów. „Musimy szybko wycofać się z paliw kopalnych, aby powstrzymać emisję dwutlenku węgla, ale przy tym musimy dokonywać wyborów między różnymi technologiami niskoemisyjnymi, z których wszystkie mają pewien wpływ na społeczeństwo i środowisko”.

Jednym z pierwszych kroków do zrozumienie wpływu technologii odnawialnych na środowisko jest oszacowanie, ile powierzchni ziemi będzie potrzebne, aby sprostać przyszłym wymaganiom energetycznym USA. Opierając się na dzisiejszych potrzebach energetycznych, potrzebny obszar farm i związana z nimi gęstość mocy są od dawna dyskutowane przez ekspertów energetycznych, którzy nie są w stanie dojść do wspólnego wniosku.

W poprzednich badaniach Keith wraz ze współpracownikami zamodelowali moce wytwórcze dużych farm wiatrowych i doszli do wniosku, że wytwarzanie energii wiatrowej zostało przeszacowane, jeśli chodzi o maksymalną gęstość mocy. Wynika to z faktu, że zaniedbano dokładne uwzględnienie interakcji między turbinami a atmosferą. W 2013 roku Keith opisał, w jaki sposób każda z turbin wiatrowych tworzy za sobą tzw. „wiatrowy cień”, w którym powietrze zostało spowolnione przez łopaty. Dzisiejsze farmy wiatrowe na skalę komercyjną starannie wykorzystują rozmieszczenie turbin, tak aby zmniejszyć wpływ tych cieni.

To czego w poprzednich pracach brakowało, to wyniki pomiarów potwierdzających modele. Aż do teraz – kilka miesięcy temu opublikowano dane dotyczące prawie 60 tysięcy turbin wiatrowych w USA. Dzięki temu Keith wraz z Lee Milerem byli w stanie oszacować gęstość energetyczną 411 farm wiatrowych w Stanach Zjednoczonych pracujących tam w roku 2016.

„Odkryliśmy, że średnia gęstość mocy, tzn. ilość generowanej mocy, podzielona przez powierzchnię farmy, jest nawet sto razy mniejsza, niż szacują niektórzy eksperci”, mówi Miller. „Większość tych szacunków opiera się na obliczeniach, które nie uwzględniają interakcji pomiędzy turbinami a atmosferą. Dla izolowanej turbiny nie jest to istotne, ale dla całej farmy wiatrowej już tak. W przypadku ogromnych instalacji, o wielkości od 5 km do 10 km, efekty te mają ogromny wpływ”, mówi Keith.

Oparte na obserwacjach, wyznaczone przez badaczy gęstości energii wiatrowej są również znacznie niższe niż ważne szacunki Departamentu Energii USA (DOE) i Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC). W przypadku energii słonecznej średnia gęstość mocy (mierzona w watach na metr kwadratowy) jest 10 razy większa niż dla elektrowni wiatrowych, ale także znacznie niższa niż szacunki czołowych ekspertów energetycznych.

Badania sugerują, że nie tylko farmy wiatrowe będą wymagały większej powierzchni ziemi, aby spełnić zakładane cele w zakresie energii odnawialnej. Dodatkowo, tak duże instalacje stałyby się aktywnym uczestnikiem systemu klimatycznego, zmieniając go. O tych zjawiskach pisano w czasopiśmie Joule. W swoim artykule Keith opisuje, w jaki sposób tak duże farmy wiatrowe wpłynęłyby na system klimatyczny w Ameryce Północnej.

Aby oszacować wpływ wykorzystania energii wiatrowej, Keith i Miller ustalili prognozę podstawową dla klimatu USA w latach 2012-2014, stosując standardowy model pogody. Następnie jedną trzecią kontynentalnych Stanów Zjednoczonych pokryto wystarczającej liczbą turbin wiatrowych, aby zaspokoić obecne zapotrzebowanie USA na energię elektryczną. Naukowcy odkryli, że ten scenariusz zwiększy średnią temperaturę powierzchni ziemi w USA o około 0,24 stopnia Celsjusza, przy czym największe zmiany wystąpiły w nocy, gdy temperatura powierzchni wzrosła o 1,5⁰C. To ocieplenie powstaje w wyniku działania turbin wiatrowych aktywnie mieszających powietrze w pobliżu ziemi, jednocześnie spowalniając jego ruchy.

Badanie to poparte jest przez ponad dziesięć innych badań, w których zaobserwowano ocieplenie w pobliżu amerykańskich farm wiatrowych. Miller i Keith porównali swoje symulacje z satelitarnymi badaniami przeprowadzonymi na farmach w północnym Teksasie i stwierdzili, że wzrost temperatur jest mniej więcej stały.

Miller i Keith szybko wskazują na nieprawdopodobieństwo, że USA wygenerują tyle energii wiatrowej, ile symulują w swoim scenariuszu, ale miejscowe ocieplenie występuje nawet w jeszcze mniejszych projektach wiatrowych.

Kolejnym pytaniem, jakie chcą zadać sobie badacze, jest próba oszacowania, kiedy rosnące korzyści z redukcji emisji są z grubsza porównywalne z niemal natychmiastowym oddziaływaniem generowania energii elektrycznej na farmach wiatrowych na środowisko.

Naukowcy z Harvardu odkryli, że efekt ocieplenia w Stanach Zjednoczonych powodowany przez turbiny wiatrowe jest w rzeczywistości wyższy niż efekt redukcji emisji w pierwszym okresie działania turbin. Dzieje się tak dlatego, że efekt ocieplenia jest w przeważającej mierze lokalny dla farmy wiatrowej, a stężenia gazów cieplarnianych musi zostać zredukowane na całym świecie, aby osiągnąć zauważalne zahamowanie ogrzewania się naszej planety.

Naukowcy powtórzyli analogiczne obliczenia dla systemów fotowoltaicznych. Okazało się, że ich wpływ na lokalne warunki klimatyczne jest dziesięć razy mniejszy niż w przypadku elektrowni wiatrowych. „Bezpośrednie oddziaływanie energetyki wiatrowej na klimat jest natychmiastowe, a korzyści płynące ze zmniejszenia emisji akumulują się powoli”, tłumaczy badacz. „Jeśli perspektywa jest na 10 lat, to energia wiatrowa ma – pod pewnymi względami – większy wpływ na klimat niż węgiel lub gaz. Jeśli jednak patrzymy na następne tysiąc lat, wtedy siła oddziaływania energetyki wiatrowej ma znacznie mniejszy wpływ na klimat”.

„Nasza praca nie powinna być postrzegana jako fundamentalna krytyka tego OZE”, dodaje Keith. „Niektóre skutki klimatyczne będą korzystne – kilka globalnych badań pokazuje, że energetyka wiatrowa chłodzi regiony polarne. Prace te powinny być postrzegane jako pierwszy krok do poważniejszego oceniania wpływu OZE na klimat. Najlepiej w połączeniu z najnowszymi bezpośrednimi obserwacjami. Wyznacza to punkt zwrotny, w którym oddziaływanie klimatyczne energii wiatrowej zaczyna być poważnie brane pod uwagę w strategicznych decyzjach dotyczących transformacji systemu energetycznego”, podsumowuje naukowiec.

Źródło i wykres: „Climatic Impacts of Wind Power” Joule (2018). DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.009 , https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30446-X

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.