Quando si tratta di produzione di energia, non esiste una cosa come un pranzo gratis, Sfortunatamente.

Mentre il mondo inizia la sua transizione su larga scala verso fonti energetiche a basse emissioni di carbonio, è fondamentale che i pro e i contro di ogni tipo siano ben compresi e gli impatti ambientali delle energie rinnovabili, per quanto piccoli possano essere rispetto al carbone e al gas, sono considerati.

In due articoli—pubblicati in Lettere di ricerca ambientale e Joule —I ricercatori dell'Università di Harvard hanno scoperto che la transizione all'energia eolica o solare negli Stati Uniti richiederebbe da cinque a 20 volte più superficie di quanto si pensasse in precedenza, e se fossero costruiti parchi eolici su larga scala, riscalderebbe le temperature medie superficiali degli Stati Uniti continentali di 0,24 gradi Celsius.

"Il vento batte il carbone con qualsiasi misura ambientale, ma ciò non significa che i suoi impatti siano trascurabili, " ha detto David Keith, il Gordon McKay Professor of Applied Physics presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e autore senior degli articoli. "Dobbiamo abbandonare rapidamente i combustibili fossili per fermare le emissioni di carbonio. In tal modo, dobbiamo fare delle scelte tra varie tecnologie a basse emissioni di carbonio, tutto ciò ha un impatto sociale e ambientale".

Keith è anche professore di Public Policy alla Harvard Kennedy School.

Uno dei primi passi per comprendere l'impatto ambientale delle tecnologie rinnovabili è capire quanta superficie sarebbe necessaria per soddisfare la futura domanda energetica degli Stati Uniti. Anche partendo dal fabbisogno energetico odierno, l'area territoriale e le densità di potenza associate richieste sono state a lungo dibattute dagli esperti di energia.

In precedenti ricerche, Keith e co-autori hanno modellato la capacità di generazione di parchi eolici su larga scala e hanno concluso che la generazione di energia eolica nel mondo reale era stata sopravvalutata perché non avevano tenuto conto con precisione delle interazioni tra le turbine e l'atmosfera. Nella ricerca del 2013, Keith ha descritto come ogni turbina eolica crea un'"ombra del vento" dietro di essa dove l'aria è stata rallentata dalle pale della turbina. Gli odierni parchi eolici su scala commerciale spaziano attentamente le turbine per ridurre l'impatto di queste ombre del vento, ma data l'aspettativa che i parchi eolici continueranno ad espandersi con l'aumento della domanda di elettricità derivata dal vento, le interazioni e gli impatti climatici associati non possono essere evitati.

Quello che mancava a questa precedente ricerca, però, erano osservazioni a supporto della modellazione. Quindi, qualche mese fa, l'United States Geological Survey ha rilasciato la posizione di 57, 636 turbine eoliche negli Stati Uniti. Utilizzando questo set di dati, in combinazione con diversi altri database del governo degli Stati Uniti, Keith e il dottorando Lee Miller sono stati in grado di quantificare la densità di potenza di 411 parchi eolici e 1, 150 impianti solari fotovoltaici operativi negli Stati Uniti nel 2016.

"Per il vento, abbiamo scoperto che la densità di potenza media, ovvero il tasso di generazione di energia diviso per l'area circostante dell'impianto eolico, era fino a 100 volte inferiore alle stime di alcuni importanti esperti di energia, " ha detto Miller, che è il primo autore di entrambi gli articoli. "La maggior parte di queste stime non ha considerato l'interazione turbina-atmosfera. "Per una turbina eolica isolata, le interazioni non sono affatto importanti, ma una volta che i parchi eolici sono profondi più di 5-10 chilometri, queste interazioni hanno un impatto importante sulla densità di potenza".

Le densità di energia eolica basate sull'osservazione sono anche molto inferiori alle importanti stime del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Per l'energia solare, la densità di potenza media (misurata in watt per metro quadrato) è 10 volte superiore a quella eolica, ma anche molto inferiore alle stime dei maggiori esperti di energia.

Questa ricerca suggerisce che non solo i parchi eolici richiederanno più superficie per raggiungere gli obiettivi di energia rinnovabile proposti, ma anche, su una scala così ampia, diventerebbe un attore attivo nel sistema climatico.

La prossima domanda, come esplorato nella rivista Joule , era l'impatto di tali parchi eolici su larga scala sul sistema climatico.

Per stimare gli impatti dell'energia eolica, Keith e Miller hanno stabilito una linea di base per il clima degli Stati Uniti 2012-2014 utilizzando un modello di previsione meteorologica standard. Quindi, coprivano un terzo degli Stati Uniti continentali con turbine eoliche sufficienti per soddisfare l'attuale domanda di elettricità degli Stati Uniti. I ricercatori hanno scoperto che questo scenario riscalderebbe la temperatura superficiale degli Stati Uniti continentali di 0,24 gradi Celsius, con i maggiori cambiamenti che si verificano di notte, quando le temperature superficiali sono aumentate fino a 1,5ºC. Questo riscaldamento è il risultato delle turbine eoliche che mescolano attivamente l'atmosfera vicino al suolo e in alto e contemporaneamente estraggono dal movimento dell'atmosfera.

Questa ricerca supporta più di dieci altri studi che hanno osservato il riscaldamento vicino a parchi eolici statunitensi operativi. Miller e Keith hanno confrontato le loro simulazioni con studi osservativi satellitari nel nord del Texas e hanno riscontrato aumenti di temperatura approssimativamente coerenti.

Miller e Keith si affrettano a sottolineare l'improbabilità che gli Stati Uniti generino tanta energia eolica quanta ne simulano nel loro scenario, ma il riscaldamento localizzato si verifica in proiezioni ancora più piccole. La domanda successiva è quindi capire quando i crescenti benefici della riduzione delle emissioni sono all'incirca uguali agli impatti quasi istantanei dell'energia eolica.

I ricercatori di Harvard hanno scoperto che l'effetto di riscaldamento negli Stati Uniti continentali causato dalle turbine eoliche è in realtà maggiore dell'effetto delle emissioni ridotte per il primo secolo del suo funzionamento. Questo perché l'effetto di riscaldamento è prevalentemente locale al parco eolico, mentre le concentrazioni di gas serra devono essere ridotte a livello globale prima che i benefici si realizzino.

Millar e Keith hanno ripetuto il calcolo per l'energia solare e hanno scoperto che il suo impatto climatico è circa dieci volte inferiore a quello del vento.

"Gli impatti climatici diretti dell'energia eolica sono istantanei, mentre i benefici della riduzione delle emissioni si accumulano lentamente, " dice Keith. "Se la tua prospettiva è per i prossimi 10 anni, l'energia eolica ha in realtà, per alcuni aspetti, un impatto sul clima maggiore del carbone o del gas. Se la tua prospettiva è per i prossimi mille anni, quindi l'energia eolica ha un impatto climatico enormemente inferiore rispetto al carbone o al gas".

"Il lavoro non deve essere visto come una critica fondamentale dell'energia eolica, " ha detto Keith. "Alcuni degli impatti climatici del vento saranno benefici:diversi studi globali mostrano che l'energia eolica raffredda le regioni polari. Piuttosto, il lavoro dovrebbe essere visto come un primo passo per diventare più seri nella valutazione di questi impatti per tutte le rinnovabili. La nostra speranza è che il nostro studio, unito alle recenti osservazioni dirette, segna un punto di svolta in cui gli impatti climatici dell'energia eolica iniziano a ricevere una seria considerazione nelle decisioni strategiche sulla decarbonizzazione del sistema energetico".