Czy duże farmy wiatrowe spowalniają wiatr? I jaki wpływ ma to na wydajność dużych instalacji.

Energia wiatrowa jest jednym z najpopularniejszych odnawialnych źródeł energii. Jej wykorzystanie dało dostęp do OZE wielu krajom na świecie, przez co powstało wiele instalacji o ogromnej wielkości. Czy ten trend może być kontynuowany w nieskończoność czy też ma jakieś ograniczenia? Na to pytanie postarał się odpowiedzieć zespół naukowców z niemieckiego Instytutu Maksa Plancka w Jenie.

Naukowcy opublikowali w prestiżowym czasopiśmie naukowym Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) artykuł w którym wykazali, że wydajność dużych farm wiatrowych jest istotnie mniejsza, niż wynikać to mogłoby po prostu z ich skali. Dlaczego uzyskiwana ilość energii nie skaluje się liniowo wraz z wielkością instalacji? Odpowiedź na to pytanie jest prosta – wiatraki spowalniają wiatr, korzystając z jego energii, co sprawia, że jeżeli na danym terenie zainstaluje się ich dużo, niektóre z nich nie otrzymają jej dostatecznie dużo, aby pracować z maksymalną wydajnością.

Ile energii może być wygenerowane w rzeczywistości na farmie? Jaka jest granica wydajności energetycznej farmy wiatrowej? Jak wydajność turbin zmienia się wraz z przyrostem ich ilości? Między innymi na te pytania naukowcy z Jeny odpowiedzieli w swojej publikacji w PNASie.

Każda turbina wiatrowa spowalnia wijący wiatr, pobierając część jego energii. W przypadku systemów o dużej wielkości efekty te mogą być zauważalne na całkiem sporym obszarze za wiatrakiem, co przekłada się m.in. na zmniejszenie wydajności turbin, które znajdować się będą za nim. Jak istotny to efekt dla wydajności energetycznej? Wszystko zależy od tego jak gęsto upakowane są turbiny na danym obszarze.

Badaczem wykorzystując dane z wielu dużych instalacji wiatrowych i porównując je z danymi dla odizolowanych wiatraków stworzyli model w oparciu o znane już modele mechaniki wiatrów, który pozwolił na modelowanie klimatu w okolicy turbin wiatrowych. Jak zwrócił uwagę dr Lee Miller, jeden z autorów publikacji w PNASie, wydajności energetyczne jakie szacuje się dla odizolowanych wiatraków są istotnie wyższe niż te, jakie obserwuje się dla całych ich instalacji. „Nie powinno to szczególnie dziwić, bo nie można zakładać, że prędkość wiatru nie spadnie napędzając turbiny w danym rejonie”.

Jak wyznaczyli naukowcy w skrajnym przypadku, turbina wiatrowa umieszczona w rejonie dużego zagęszczenia takich instalacji produkować może jedynie 20% energii elektrycznej, gdyby umiejscowiona była samodzielnie. Jest to oczywiście skrajny przypadek, ale pokazuje jak ogromny może być wpływ złego rozplanowania inwestycji wiatrowych na danym terenie.

Opracowany model wpływu turbin wiatrowych naukowcy wykorzystali do zamodelowania ich globalnego wpływu. Pozwoliło to na oszacowanie ile energii elektrycznej wyprodukować można w skali świata wykorzystując turbiny wiatrowe. Okazuje się, że jedynie ok 4% powierzchni lądów ma potencjał do generowania więcej niż 1 W/m2, a średnia wynosi około 0,5 W/m2 – wartości te są podobne do poprzednich szacunków opartych na zaawansowanych modelach klimatycznych, ale o około 10 razy mniejsze niż szacunki oparte jedynie na lokalnej średniej prędkości wiatru, twierdzą naukowcy. Oznacza to, że zachowując optymalne rozmieszczenie wiatraków uzyskać będzie można nie więcej niż ok 75 TW mocy wiatrowej na naszej planecie. To znacznie więcej niż jest aktualnie zainstalowanych mocy elektrycznych na świecie (około 20 TW), więc nie ma powodów do obaw.

Aktualnie na świecie zainstalowanych jest jedynie około 450 MW mocy wiatrowych. Co nowy model klimatyczny oznacza dla rozwoju branży wiatrowej? „Nasze wyniki wskazują na ogromny efekt aktualnego rozmieszczenia wiatraków w instalacjach” mówi dr Axel Kleidon, kierownik grupy badawczej z Instytut Maksa Plancka w Jenie. Efekty prac badaczy wskazują, że aby utrzymać obecny wzrost sektora wiatrowego konieczne jest lepsze planowanie nowych instalacji pod kątem wpływu turbin na prędkość wiatru, czyli zasadniczo zwiększenie odległości pomiędzy wiatrakami. W żaden sposób nie ogranicza to wzrostu w tym sektorze, a dzięki optymalizacji wydajności dużych instalacji wiatrowych – mniej wiatraków na większej powierzchni może produkować podobną ilość energii jak większa ich ilość skupiona na niewielkim obszarze – możliwa będzie redukcja kosztów energii produkowanej z tego źródła.