Потужність вітру та кліматичні зміни йдуть разом із вітром

Стаття Тібо Лаконде, засновника Callendar, стартапу, що спеціалізується на оцінці ризиків, пов’язаних зі зміною клімату.

Готуючи цю статтю, я зробив невеликий експеримент: набрав "перехід енергії" в пошукову систему і зарахував до зображень, які я отримав, що представляють вітрові турбіни. Результат: 20 серед перших 30 результатів.

Цей результат не дивно, вітрові турбіни стали одним із символів боротьби зі зміною клімату, можливо, навіть найпоширенішим символом у колективних образах.

І це недарма: енергія вітру на сьогодні є третім безвуглецевим джерелом електроенергії на планеті з виробленою трохи більше 1130 ТВт-год.

Виробництво вітру за 10 років зросло в чотири рази, що може дозволити йому обігнати ядерну енергетику та загрожувати першому місці для гідроенергетики протягом наступного десятиліття.

Але якщо вітрові турбіни є чемпіонами зменшення викидів, чи вони озброєні самостійно боротися з наслідками зміни клімату? ?

Як сила вітру змінюється залежно від вітру

Як і гідроелектростанція, про яку ми вже говорили, вітроенергетика використовує ресурс, безпосередньо пов'язаний з функціонуванням кліматичної системи. Тому кліматичні зміни, якщо вони спричинять зміни вітрових ресурсів, негайно вплинуть на виробництво.

Але на відміну від опадів та гідроенергії, залежність між швидкістю вітру та виробництвом вітру далека від лінійної.
Схематично виробництво вітрогенератора розвивається наступним чином:

Якщо вітер нижчий за стартову швидкість (близько 10 км/год), продуктивність дорівнює нулю
Між початковою та номінальною швидкістю (близько 50 км/год) виробництво швидко зростає зі швидкістю вітру,
Вище номінальної швидкості виробництво залишається приблизно постійним ...
... аж до граничної швидкості (близько 90 км/год), коли вітрогенератор переходить у безпеку, а виробництво припиняється.

Еволюція виробництва як функція вітру для різних вітрогенераторів в асортименті Вестас (джерело)

Нас найбільше цікавить область між початковою та номінальною швидкістю, це область, в якій вітрові турбіни працюють більшу частину часу. У цій області виробництво енергії приблизно пропорційне кубу середньої швидкості вітру.

Це означає, що навіть незначна зміна режиму вітру матиме непропорційний вплив на виробництво: якщо середня швидкість вітру впаде на 1%, виробництво електроенергії впаде приблизно на 3%, якщо вітер знизиться на 5%, виробництво впаде на 14% і 20% падіння швидкості вітру скоротять виробництво електроенергії вдвічі.

І навпаки, звичайно, якщо вітер збільшує виробничі прибутки, це також буде посилюватися, але не на невизначений час: більше нічого не можна отримати, коли досягнеться номінальна швидкість, і якщо вітер продовжує збільшувати виробництво електроенергії. Замість цього можна зупинити.

Питання мінливості

Ще однією особливістю енергії вітру в порівнянні з гідроелектростанцією є те, що вона не має жодних засобів згладжування або зберігання експлуатованого ресурсу. Отже, не лише середня швидкість вітру визначає виробництво, а й його розподіл.

Наприклад, якщо миттєва швидкість частіше нижча за стартову або вищу, ніж швидкість відключення, виробництво електроенергії впаде, навіть якщо середня швидкість не зміниться.

Нарешті, ми повинні звернути увагу на між- та внутрішньорічну мінливість ресурсу, яка, навіть не впливаючи на виробництво електроенергії, може зменшити його вартість.

Це могло б бути, наприклад, якби сезонність вітру змінювалася, а вітряні періоди переходили на місяці, коли потреби в електроенергії нижчі.

Для суміші електроенергії, що інтегрує велику частку енергії вітру, такий тип руху може збільшити потребу в резервному резервуванні з наслідками для витрат і, можливо, для викидів парникових газів.

Таким чином, виробництво вітрогенератора дуже швидко зменшується зі швидкістю вітру.

З іншого боку, збільшення цієї швидкості не обов'язково призводить до збільшення виробництва, особливо якщо вітрогенератор вже користується хорошим ресурсом, що змушує його працювати в середньому близько до номінальної потужності. І навіть без змін середньої швидкості, зміна режиму вітру може погіршити виробництво та знизити його значення.

Тому фізика та економіка енергії вітру поєднуються, роблячи її одним із джерел електроенергії, найбільш підданих змінам клімату.

Невизначений розвиток подій, мабуть негативний, у будь-якому випадку значний

Однак потужність вітру отримує певну парадоксальну перевагу: її відносно короткий життєвий цикл. Атомна електростанція або гідроелектростанція, яка введена в експлуатацію сьогодні, безумовно, все ще буде існувати в кінці століття, і тому вона повинна мати можливість працювати в кліматі, який вже сильно занесло, вітроелектростанція досягне кінця його життя близько 2050 року, отже, в менш порушеному кліматі порівняно з тим, в якому він був розроблений. Але чи достатньо цього ?

Іншими словами: чи можуть зміни клімату суттєво змінити вітровий режим протягом життя існуючих проектів вітрового комплексу ?

Це складне питання: кліматичні моделі дають прогнози швидкості вітру, але вони не завжди збігаються з однієї моделі до іншої.

Крім того, ці прогнози, як правило, стосуються вітру на 10 метрів, тоді як вітрові турбіни значно вищі. Існують моделі для екстраполяції швидкості вітру на різну висоту, але їх точність сильно залежить від природи місцевості, що додає невизначеності.

Проте досить велика кількість публікацій намагалася передбачити еволюцію вітроенергетики в Європі зі зміною клімату, наприклад ця, ця та ця. Загалом вони вказують на помірну деградацію вітрових ресурсів.

Вітрових турбін

Тенденція до вітрового режиму, менш сприятливого для виробництва вітрової енергії, є майже консенсусом для південної Європи, включаючи більшу частину Франції.. Як і слід було очікувати, він буде сильнішим за песимістичного сценарію викидів і погіршиться з плином XXI століття.

За межами Європи китайський вітровий потенціал вже постраждав із падінням приблизно на 15% з 1979 р. На півночі країни, що корелюється з більш м'якою зимою, у Сполучених Штатах еволюція, як правило, буде негативною при падінні. Виробництво може сягати до 40% влітку бразильський вітровий потенціал, навпаки, здається мало підданим ...

Щодо мінливості виробництва, ці дослідження, як правило, погоджуються на збільшення сезонності. В Європі в цілому спостерігається тенденція до зменшення літнього виробництва на Півночі, а на півдні - на місцевому рівні. Взимку все було б навпаки: збільшення на півночі, зменшення на півдні.

Однак важко зробити якісь висновки: з одного боку, ці прогнози дуже невизначені, а з іншого боку, до них слід було б додати моделювання електроенергетичної системи, щоб реально оцінити їх вплив на ціну та викиди сектор.

Оцінка від місця до місця також була б необхідною для отримання більш точного уявлення. Дійсно, на виробництво впливають дуже місцеві фактори (рослинність, форми рельєфу тощо), і дослідження, що стосуються відносно близьких вітрових електростанцій, іноді дають дуже різні тенденції: наприклад, два шотландські парки, розташовані на відстані 200 км від одного з інших, повинні бачити своє виробництво, в одному випадку зменшення майже на 30% до 2040 р., в іншому - збільшення на стільки ж.

З огляду на невизначеність щодо прогнозів, методологія кліматичного стрес-тесту також видається більш придатною, ніж спроба оцінити довгострокове виробництво.

У будь-якому випадку очевидно одне: еволюція виробництва вітру протягом найближчих десятиліть може бути значною, достатньою, щоб поставити під сумнів життєздатність певних проектів, оскільки їх запас, як правило, становить 10-15%.

Решту статті, щоб прочитати тут

Ця стаття є частиною літньої серії, присвяченої кліматичним ризикам та адаптації в електроенергетичному секторі.

Всі статті цієї серії можна знайти тут