Борьба с ветряными мельницами: ветроэнергетика и глобальное потепление
В 2022 году исполняется 50 лет со времен публикации знаменитого документа «Пределы роста», подготовленного Римским Клубом. Это был обзор технологических и общественных тенденций, характерных для конца XX века — в целом сводившийся к мысли, что гибкость рынка и бережливое отношение к природе не компенсирует ее истощения. В 2014 году на русском языке вышла книга «Пределы роста: 30 лет спустя». Значительное внимание в книге уделяется возобновляемым источникам энергии, в частности — солнечным батареям и ветрофермам. Рисунок 3.15 из этой книги демонстрирует, что к началу XXI века стоимость солнечного кВт⋅ч в целом стабилизировалась после многолетнего нисходящего тренда, а стоимость ветряного кВт⋅ч продолжала снижаться:
Вне Хабра нам довелось затронуть эту тему с уважаемым @SLY_G, и он навел меня на интересные источники и идеи, указывающие на чрезмерный оптимизм по поводу ветроэнергетики, ее краткосрочных эффектов и углеродного следа. Скептические оценки крупномасштабной ветроэнергетики впервые получили научное обоснование в 2011–2013 годах — правда, пока они основаны в основном на эмпирических догадках и компьютерном моделировании. И всё-таки, я хотел бы раскрыть эту тему подробнее.
Бурное развитие ветроэнергетики в начале XXI века обусловлено как глобальной работой по сокращению парниковых выбросов, так и освоением прибрежных территорий. В отчете 2017 года указано, что наибольших успехов в развитии ветряных ферм добиваются Китай, США, Германия, Индия и некоторые другие страны, владеющие хорошо освоенными побережьями мелководных морей. Вот данные о ежегодном вводе в строй новый ветряных мощностей за 2000–2015 год и суммарные данные о выработке ветряной энергии в те же годы (рис. 26.1 из вышеупомянутого отчета):
Также рассмотрим подробную карту, демонстрирующую распределение действующих и строящихся ветроферм в Северном море. Карта составлена Ульрике Клееберг по состоянию на 2020 год:
Здесь хорошо видно, что действующие ветрофермы расположены в наиболее мелководных областях поблизости от британских, голландских и датских берегов (исключение — прямоугольный регион у берегов Швеции, также расположенный близко к материку, но на сравнительно глубоководной территории).
Аналогичная «кучность» ветровых ферм наблюдается и на суше, в частности, в Техасе и в других аграрных регионах США. К началу 2010-х появились убедительные данные, что при развертывании на больших площадях ветряки не только теряют эффективность в пересчете на каждую отдельную мачту, но и оказывают серьезное негативное воздействие на циркуляцию воздуха. Ниже мы подробнее рассмотрим физику этих процессов и остановимся на феномене «ветровой тени».
Любая крупномасштабная энергетика влияет на окружающую среду. Пока мы всеми силами пытаемся уменьшить углеродный след, краткосрочные и долгосрочные воздействия возобновляемой энергетики на метеорологию и климат остаются малоисследованными. Только в октябре 2018 года в журналах Environmental Research Letters и Joule вышли две статьи, иллюстрирующие, что использование ветроферм на суше приводит к разогреванию атмосферы и изменению ее циркуляции. Эффект особенно заметен в темное время суток, а сам разогрев происходит даже быстрее, чем при постепенном насыщении атмосферы углекислым газом. До конца текущего века ветряки могут повысить температуру в 48 «континентальных» штатах США на 0,24 °C.
Воздействие ветроэнергетики на окружающую среду в конце XX и начале XXI века изучалось в основном на материале моделей общей циркуляции (МОЦ). К настоящему времени накоплено много данных о скорости ветра и антропогенной турбулентности в районах, занятых ветрофермами, но прочие метеорологические факторы в таких моделях почти не учитываются, так как сложно организовать непрерывный сбор данных с работающей ветрофермы, особенно в научных целях. По данным исследования, выполненного в 2010 году в университете Чикаго, известна как минимум одна попытка составить такое множество «эксплуатационных» данных в полевых условиях: данные собирали с 18 июня по 9 августа 1989 года на ветроферме в Сан-Горгонио, штат Калифорния. На ферме в 41 ряд располагались турбины высотой по 23 метра с лопастями длиной по 8,5 метров; расстояние между рядами составляло 120 метров.
Исследование показало, что в области, подветренной относительно этой фермы, температура была выше, чем в наветренной, но именно в ночные и ранние утренние часы. В дневные часы ветроферма, напротив, охлаждала подветренную область.
В гарвардской статье из журнала «Joule» приводятся более полные данные (пусть и полученные на основе компьютерного моделирования). Согласно этим моделям, при увеличении площадей ветроферм в 10–100 раз по сравнению с современными (до 3 000 — 300 000 км2) в ветренных регионах должна существенно уменьшаться скорость ветра, а также должны изменяться границы приземного пограничного слоя атмосферы и конвективные явления в этом слое. Следовательно, в приземном слое должна расти средняя температура, перераспределяться влажность, а вертикальный атмосферный газообмен при этом будет нарушаться.
Наиболее важные изменения касаются перераспределения влажности в атмосфере, и на границе моря и суши такое перераспределение еще критичнее, поскольку осадки начинают выпадать в море, не доходя до сельскохозяйственных территорий.
Ветровая тень
Явление ветровой тени хорошо изучено на примере разницы в естественном орошении горных склонов. Аналогичное явление в городской застройке называется «застойная воздушная зона». С геофизической точки зрения естественная ветровая тень выглядит так:
Именно поэтому наветренный и подветренный склоны в горах отличаются даже визуально: на наветренный склон выпадает гораздо больше осадков, поэтому он покрыт разнообразной растительностью, а противоположный склон (особенно в ущелье) при этом может быть практически голым.
Тем не менее, в горах формирование ветровой тени является естественным процессом, и горные экосистемы успевают приспосабливаться к розе ветров и неравномерным осадкам. Ветрофермы же приводят к возникновению совершенно новой техногенной ветровой тени, которую можно назвать динамической. Доказано, что обширные поля ветряков существенно ослабляют бриз, а сами ветряки отбирают энергию друг у друга — буквально «разбирают» энергию ветра, из-за чего эффективность всей ветрофермы снижается. Можно сказать, что ветрофермы плохо поддаются горизонтальному масштабированию.
Из-за массового использования кинетической энергии ветра в районах ветроферм постепенно усугубляются два взаимосвязанных процесса:
1) образуется застойная зона: ветроферма нарушает циркуляцию воздуха и лишает подветренную территорию не только ветра, но и влаги. Когда ветрофермы расположены в море, ширина этой зоны составляет около 5 километров, а на суше может превышать 20 километров, в некоторых случаях достигая 50 километров.
2) нарушается отвод излишков тепла из приземного слоя атмосферы. В результате аграрные территории, на которых развернуты ветрофермы, перегреваются и страдают от засухи:
На побережье Северного моря дефицит скорости ветра наиболее выражен весной (22,6%) и летом (20,8%). Поскольку именно сейчас летние температуры в Европе бьют рекорды, особенно опасна ветровая тень, затрудняющая поступление прохладного морского воздуха на материк. Кроме того, ветровая тень влияет на давление и влажность в приземном слое воздуха, в частности, на образование росы и даже на концентрацию углекислого газа, который служит питанием для растений и источником фотосинтеза.
При этом уже известно, что морские ветроэлектростанции способствуют перемешиванию воды, а не только приповерхностного воздуха. Естественные факторы перемешивания прибрежной воды — это, в основном, приливы и приток пресной речной воды. В районе ветроэлектростанций значительно глубже становится тот пласт воды, которая стабильно обогащается атмосферным кислородом. Это не только идет на пользу местным экосистемам, но и способствует гниению затонувшей биомассы — в результате вода лучше насыщается питательными веществами, и море может прокормить больше обитателей.
Обледенение лопастей
Прибрежные ветрофермы становятся зоной длительного контакта материковых и морских ветров — и из-за этого в холодных широтах лопасти ветряков начинают обледеневать. Обледеневшие лопасти утяжеляются, хуже вращаются, из-за чего выработка энергии на ветроферме может снижаться на 20% и более. Лопасти покрываются льдом неравномерно, из-за этого у них смещается центр тяжести, и они быстрее изнашиваются. Проблема обледенения винтов и корпуса давно известна и хорошо исследована в авиастроении, но в контексте ветряков имеет свои нюансы. Структура льда зависит от влажности воздуха: если воздух сухой, то лопасти покрываются изморозью, а если влажный — стекловидным льдом, аналогичным гололеду (здесь LWC — Liquid Water Content, по-русски этот показатель называется «водность»):
Стекловидный лед не только образует более толстый и неровный слой, чем обычная изморозь, но и медленнее тает. Полевые исследования с применением дронов показывают, что толщина льда на лопастях может достигать 30 сантиметров, и в такой период турбина дает только 20% энергии от базового показателя. Эти же исследования показали, что лопасти обмерзают неравномерно: в основном лед накапливается на кончиках лопастей. Испытания, проводившиеся в университете штата Айова (в том числе, в аэродинамической трубе), показали, что существует два основных способа для борьбы с обледенением лопастей. Во-первых, турбину можно подогревать изнутри, устанавливая нагревательные элементы именно на кончиках лопастей. Во-вторых, можно изготавливать лопасти из гидрофобного пластика, либо наносить на них нанопокрытия, обеспечивающие эффект лотоса.
Прочие технологические проблемы
Однако описанные подходы дополнительно девальвируют «зеленый» экологический компонент ветроэнергетики. Нагревание турбин зимой увеличивает их углеродный след, а конструирование лопастей из современных полимерных материалов ставит вопрос о переработке и захоронении отработанных турбин. Срок службы ветроэлектростанции составляет 15–25 лет в зависимости от условий эксплуатации, поэтому в Европе уже выработано целое поколение ветряков;, но их замена обусловлена не только износом, но и заменой старых турбин на более мощные. Переработка лопастей — перспективная отрасль, спрос на материалы от отработанных ветряков диктуется, прежде всего, авиапромом. Но эта отрасль пока только формируется, а закладка новых площадей под кладбища лопастей — это превращение бывших сельхозугодий в пустыри. При этом в новых поколениях ветряков все активнее используются редкоземельные элементы, о токсичности которых я ранее упоминал в публикации о смартфонах. Таким образом, по данным этой статьи 2018 года, 100 МВт ветровой энергии обходится в:
20 000 квадратных метров сведенной растительности,
Более 900 кг CO2,
6 000 000 м3 газообразных токсичных выбросов,
1,2 млн литров отравленной воды,
272 млн кг сильно загрязненного техногенного песка,
127 тонн радиоактивных отходов. (источники: вот, вот, вот.)
Заключение
Энергетика — это, прежде всего, стабильный поток извлекаемой энергии, и именно по этому показателю ветроэнергетика проигрывает как традиционным, так и «зеленым» источникам энергии. Выработка ветряной энергии варьируется от сезона к сезону, а потребление — в течение суток. При этом, относительно крепкий и постоянный ветер ловится именно на морских ветрофермах, проблемы которых я осветил выше. Мнение, что «где-нибудь ветер дует всегда», и для устойчивости ветряной энергетики пока просто не хватает введенных мощностей, упирается в проблему горизонтального масштабирования. Естественно, в долгосрочной перспективе ветряная энергетика позволила бы уменьшить содержание CO2 в атмосфере, но в краткосрочной не только не справляется с собственным углеродным следом, но и иссушает приземный слой атмосферы, усугубляя эффект нарастающей жары.
