Als het gaat om de productie van energie, er bestaat niet zoiets als een gratis lunch, helaas.

Nu de wereld zijn grootschalige overgang naar koolstofarme energiebronnen begint, het is 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 zijn in vergelijking met kolen en gas, worden beschouwd.

In twee artikelen - gepubliceerd in Brieven voor milieuonderzoek en Joule —Harvard University-onderzoekers ontdekken dat de overgang naar wind- of zonne-energie in de Verenigde Staten vijf tot twintig keer meer landoppervlak zou vergen dan eerder werd gedacht, en als zulke grootschalige windparken zouden worden gebouwd, zou de gemiddelde oppervlaktetemperatuur boven de continentale Verenigde Staten met 0,24 graden Celsius opwarmen.

"Wind verslaat steenkool door elke milieumaatregel, maar dat betekent niet dat de effecten verwaarloosbaar zijn, " zei David Kees, de Gordon McKay Professor of Applied Physics aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en senior auteur van de papers. "We moeten snel overstappen van fossiele brandstoffen om de CO2-uitstoot te stoppen. we moeten keuzes maken tussen verschillende koolstofarme technologieën, die allemaal een aantal sociale en ecologische gevolgen hebben."

Keith is ook hoogleraar openbaar beleid aan de Harvard Kennedy School.

Een van de eerste stappen om de milieu-impact van hernieuwbare technologieën te begrijpen, is te begrijpen hoeveel landoppervlak nodig zou zijn om aan de toekomstige Amerikaanse energievraag te voldoen. Zelfs beginnend met de huidige energiebehoefte, het landoppervlak en de bijbehorende vereiste vermogensdichtheden zijn al lang besproken door energiedeskundigen.

In eerder onderzoek is Keith en co-auteurs modelleerden de opwekkingscapaciteit van grootschalige windparken en concludeerden dat de werkelijke opwekking van windenergie was overschat omdat ze verzuimden nauwkeurig rekening te houden met de interacties tussen turbines en de atmosfeer. In 2013 onderzoek, Keith beschreef hoe elke windturbine een "windschaduw" erachter creëert waar de lucht is afgeremd door de bladen van de turbine. De huidige windparken op commerciële schaal plaatsen turbines zorgvuldig in de ruimte om de impact van deze windschaduwen te verminderen, maar gezien de verwachting dat windparken zullen blijven groeien naarmate de vraag naar van wind afgeleide elektriciteit toeneemt, interacties en de bijbehorende klimaateffecten kunnen niet worden vermeden.

Wat ontbrak in dit eerdere onderzoek, echter, waren waarnemingen ter ondersteuning van de modellering. Vervolgens, een paar maanden geleden, de United States Geological Survey heeft de locatie van 57 vrijgegeven, 636 windturbines in de VS Met behulp van deze dataset, in combinatie met verschillende andere databases van de Amerikaanse overheid, Keith en postdoctoraal onderzoeker Lee Miller waren in staat om de vermogensdichtheid te kwantificeren van 411 windparken en 1, 150 fotovoltaïsche zonne-energiecentrales actief in de VS in 2016.

"Voor wind, we ontdekten dat de gemiddelde vermogensdichtheid - dat wil zeggen de snelheid van energieopwekking gedeeld door het omringende gebied van de windcentrale - tot 100 keer lager was dan schattingen door enkele vooraanstaande energiedeskundigen, " zei Molenaar, wie is de eerste auteur van beide artikelen. "De meeste van deze schattingen hielden geen rekening met de interactie tussen de turbine en de atmosfeer. "Voor een geïsoleerde windturbine, interacties zijn helemaal niet belangrijk, maar zodra de windparken meer dan vijf tot tien kilometer diep zijn, deze interacties hebben een grote impact op de vermogensdichtheid."

De op waarnemingen gebaseerde dichtheden van windenergie zijn ook veel lager dan belangrijke schattingen van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) en het Intergouvernementeel Panel voor klimaatverandering (IPCC).

Voor zonne-energie, de gemiddelde vermogensdichtheid (gemeten in watt per vierkante meter) is 10 keer hoger dan windenergie, maar ook veel lager dan de schattingen van vooraanstaande energiedeskundigen.

Dit onderzoek suggereert dat niet alleen windparken meer landoppervlak nodig zullen hebben om de voorgestelde doelstellingen voor hernieuwbare energie te halen, maar ook, op zo'n grote schaal, een actieve speler in het klimaatsysteem zou worden.

De volgende vraag, zoals onderzocht in het tijdschrift Joule , was hoe dergelijke grootschalige windparken het klimaatsysteem zouden beïnvloeden.

Om de effecten van windenergie in te schatten, Keith en Miller hebben een basislijn vastgesteld voor het klimaat in de VS van 2012-2014 met behulp van een standaard weersvoorspellingsmodel. Vervolgens, ze bedekten een derde van de continentale VS met voldoende windturbines om aan de huidige Amerikaanse elektriciteitsvraag te voldoen. De onderzoekers ontdekten dat dit scenario de oppervlaktetemperatuur van de continentale VS met 0,24 graden Celsius zou opwarmen, met de grootste veranderingen die zich 's nachts voordoen, wanneer de oppervlaktetemperaturen tot 1,5 C stegen. Deze opwarming is het resultaat van windturbines die de atmosfeer dicht bij de grond en in de lucht actief mengen en tegelijkertijd onttrekken aan de beweging van de atmosfeer.

Dit onderzoek ondersteunt meer dan tien andere studies die opwarming in de buurt van operationele windparken in de VS waarnamen. Miller en Keith vergeleken hun simulaties met op satellieten gebaseerde observatiestudies in Noord-Texas en vonden ongeveer consistente temperatuurstijgingen.

Miller en Keith wijzen er snel op dat het onwaarschijnlijk is dat de VS zoveel windenergie opwekt als ze in hun scenario simuleren, maar gelokaliseerde opwarming vindt plaats in nog kleinere projecties. De vervolgvraag is dan om te begrijpen wanneer de groeiende voordelen van het verminderen van emissies ongeveer gelijk zijn aan de bijna onmiddellijke effecten van windenergie.

De Harvard-onderzoekers ontdekten dat het opwarmingseffect in de continentale VS, veroorzaakt door windturbines, in feite groter is dan het effect van verminderde uitstoot in de eerste eeuw van zijn werking. Dit komt doordat het opwarmingseffect overwegend lokaal is voor het windpark, terwijl de broeikasgasconcentraties wereldwijd moeten worden verminderd voordat de voordelen worden gerealiseerd.

Millar en Keith herhaalden de berekening voor zonne-energie en ontdekten dat de klimaateffecten ongeveer tien keer kleiner zijn dan die van wind.

"De directe klimaateffecten van windenergie zijn onmiddellijk, terwijl de voordelen van verminderde uitstoot langzaam toenemen, " zegt Keith. "Als je perspectief de komende 10 jaar is, windenergie heeft in sommige opzichten zelfs meer impact op het klimaat dan steenkool of gas. Als je perspectief de komende duizend jaar is, dan heeft windenergie enorm minder klimaatimpact dan kolen of gas."

"Het werk moet niet worden gezien als een fundamentele kritiek op windenergie, " zei Keith. "Sommige van de klimaateffecten van wind zullen gunstig zijn - verschillende wereldwijde onderzoeken tonen aan dat windenergie de poolgebieden afkoelt. Liever, het werk moet worden gezien als een eerste stap om serieuzer te worden in het beoordelen van deze effecten voor alle hernieuwbare energiebronnen. Onze hoop is dat onze studie, gecombineerd met de recente directe waarnemingen, markeert een keerpunt waar de klimatologische effecten van windenergie serieuze aandacht beginnen te krijgen bij strategische beslissingen over het koolstofarm maken van het energiesysteem."