Problem z wiatrem. Nowe morskie turbiny mogą odbierać energię istniejącym

Nowe badanie, opracowane przez Badaczy Uniwersytetu Kolorado wskazuje, że budowa morskich farm wiatrowych wymaga bardziej strategicznego rozmieszczania nowych turbin. Zespół kierowany przez prof. Julie K. Lundquist i doktoranta Dave’a Rosencransa oszacował, że nowe, duże farmy wiatrowe stawiane u wybrzeży USA mogą odbierać wiatr innym pobliskim turbinom, zmniejszając moc wyjściową farm o ponad 30 proc. 

Zapotrzebowanie na energię elektryczną w USA szybko wzrasta. Przyczyną są m.in. budowa wielkich centrów danych zużywających ogromne ilości energii, elektryfikacja transportu, czy zmiany klimatyczne które sprawiają, że coraz więcej domów i biur polega na sztucznej klimatyzacji. Zużycie prądu w Ameryce ma wzrosnąć z 3,994 miliardów kilowatogodzin w 2023 r. do 4,123 mld w 2025. W sumie zużycie energii ma rosnąć w tempie ok. 10 proc. na dekadę. 

Aby sprostać rosnącym potrzebom, wiele miast na wschodnim wybrzeżu USA zaczyna inwestować w morskie farmy wiatrowe, stawiane na Oceanie Atlantyckim. Dla operatorów sieci elektroenergetycznych wiedza o tym ile energii wiatrowej mogą zebrać te morskie turbiny, ma kluczowe znaczenie, ale dokładne prognozy są trudne do wyprowadzenia. 

"Stany Zjednoczone planują budowę tysięcy morskich turbin wiatrowych, więc musimy przewidzieć, wzajemne interakcje farm wiatrowych będą kosztowne, a kiedy nie wywrą wielkiego skutku" - mówi Lundquist. 

Kiedy wiatr przepływa przez turbiny, te, do których dociera wcześniej pobierają część niesionej przez wiatr energii. W rezultacie wiatr za turbinami słabnie i staje się bardziej turbulentny. Oznacza to, że turbiny znajdujące się dalej otrzymują wiatr przenoszący mniej energii, co może skutkować niższą produkcją prądu.

To tak zwany "efekt kilwateru", bo "ślad" pozostawiany przez wiatrak przypomina ślady pozostawiane przez statki i łodzie na wodzie. Efekt ten jest szczególnie wyraźny w przypadku turbin znajdujących się na morzu, ponieważ nie ma tam domów ani drzew, które zakłócałyby powietrze, co w przypadku lądowych turbin pomaga rozproszyć kilwater.

Korzystając z symulacji komputerowych i danych obserwacyjnych atmosfery, zespół obliczył, że efekt kilwateru zmniejsza całkowitą produkcję energii o nawet 34% do 38%. Większość redukcji wynika z interakcji turbin w ramach jednej elektrowni wiatrowej. Jednak w pewnych warunkach pogodowych ślady mogą wpływać na funkcjonowanie turbin położonych nawet 55 kilometrów dalej i wpłynąć na inne farmy wiatrowe. Na przykład podczas gorących letnich dni przepływ powietrza nad chłodną powierzchnią morza jest zwykle stosunkowo stabilny, co powoduje, że ślady utrzymują się przez dłuższy czas i rozprzestrzeniają się na większe odległości.

W opublikowanej właśnie w czasopiśmie "Wind Energy Science" pracy, zespół oszacował jednak, że pomimo tego efektu, elektrownie wiatrowe nadal mogą odegrać kluczową rolę w zaspokajaniu amerykańskiego zapotrzebowania na prąd. Nawet po uwzględnieniu "efektu kilwateru", proponowane farmy wiatrowe będą w stanie nadal zaspokoić około 60% zapotrzebowania na energię elektryczną sieci Nowej Anglii, która obejmuje stanu Connecticut, Maine, Massachusetts, New Hampshire, Rhode Island i Vermont.

Amerykanie późno zabrali się za budowanie morskich farm wiatrowych, ale szybko nadrabiają straty. Pierwszych pięć turbin stworzonych w ramach dużego programu morskiej energetyki wiatrowej zaczęły dostarczać prąd stanowi Massachusetts na początku 2024 r. Kolejne turbiny powstają u wybrzeży Rhode Island, Wirginii i Nowego Jorku. Administracja Bidena postawiła sobie za cel zainstalowanie do 2030 r. morskich elektrowni wiatrowych o łącznej mocy 30 gigawatów, co wystarczy do zasilenia ponad 10 milionów domów przez rok.