Влияние изменения климата на доступность ветровых ресурсов

Изменение климата меняет фундаментальную динамику атмосферы Земли, с глубокими последствиями для ветровых моделей и доступности ветра в качестве возобновляемого источника энергии. По мере роста глобальных температур энергетический баланс, который стимулирует циркуляцию атмосферы, изменяется, что приводит к сдвигам в скорости ветра, направлении и изменчивости в разных регионах. Для растущего сектора возобновляемой энергии, который все больше полагается на энергию ветра для достижения целей декарбонизации, понимание этих изменений не просто академическое; это важно для стратегического планирования, инвестиционных решений и устойчивости инфраструктуры. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) задокументировала наблюдаемые и прогнозируемые изменения в ветровых ресурсах, отметив, что даже скромные сдвиги могут значительно повлиять на коэффициент мощности ветровых электростанций в течение нескольких десятилетий жизни.

Хотя общий глобальный потенциал ветроэнергетики может оставаться существенным, географическое перераспределение ветровых ресурсов создает как возможности, так и риски. В некоторых районах могут наблюдаться повышенные скорости ветра, повышая их привлекательность для новых разработок, в то время как в других может наблюдаться снижение, которое может подорвать существующие проекты. Кроме того, повышенная изменчивость и потенциал для более частых экстремальных погодных явлений добавляют слои сложности к работе ветропарка и интеграции в сеть. В этой статье рассматриваются механизмы, посредством которых изменение климата влияет на ветровые модели, рассматриваются региональные воздействия и обсуждаются последствия для развития ветроэнергетики, стратегии адаптации и путь вперед.

Механизмы изменения климата на ветровых моделях

Ветер в основном обусловлен различиями атмосферного давления, которые создаются дифференциальным нагревом поверхности Земли. Изменение климата нарушает эту систему несколькими взаимосвязанными способами. Потепление нижней атмосферы, в частности усиление температур на высоких широтах (арктическое усиление), снижает температурный градиент между экватором и полюсами. Этот градиент является основным драйвером западного ветра средней широты и струйного потока. Более слабый градиент может привести к более медленному, более извилистому струйному потоку, потенциально изменяя пути и интенсивность штормов и ветровых моделей в таких регионах, как Северная Америка и Европа.

Изменения циркуляции океана и температуры поверхности моря дополнительно модулируют режимы ветра. На такие явления, как Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO) и Атлантическое многовековое колебание (AMO), влияет потепление климата, и их изменчивость может смещать преобладающие направления и скорости ветра на большие площади. Кроме того, изменения свойств поверхности суши, такие как увеличение растительности в бореальных зонах или изменение альбедо от таяния льда, могут изменять местный и региональный климат ветра. Эти многогранные взаимодействия затрудняют прогнозирование изменений ветровых ресурсов с уверенностью, но климатические модели обеспечивают все более надежные прогнозы.

Изменения в крупномасштабной атмосферной циркуляции

The Hadley, Ferrel, and Polar circulation cells are the large-scale belts that govern global wind patterns. Observational studies and climate simulations indicate that the Hadley cell is expanding poleward in both hemispheres, a trend linked to global warming. This expansion shifts subtropical wind belts, potentially increasing wind speeds on the poleward edge of the cell and decreasing them on the equatorward side. For example, the trade winds in tropical regions may weaken, while mid-latitude westerlies might intensify or shift latitudinally. These changes have direct consequences for both onshore and offshore wind energy in regions such as the Mediterranean, the Great Plains of North America, and the Southern Hemisphere extratropics.

Влияние экстремальных ветров и турбулентности

Помимо средних скоростей ветра, изменение климата влияет на частоту и интенсивность экстремальных ветровых явлений, включая штормы и порывы. Ожидается, что ураганы и тайфуны станут более интенсивными из-за более высоких температур поверхности моря, что создает риски для морских ветровых турбин на их пути. И наоборот, в некоторых регионах может наблюдаться снижение числа циклонических штормов, изменяя сезонное распределение энергии ветра. Интенсивность турбулентности, которая влияет на усталостные нагрузки турбин и захват энергии, также может изменяться из-за сдвигов в атмосферной стабильности и шероховатости поверхности. Передовые усилия по моделированию, такие как усилия по скоординированному региональному эксперименту по уменьшению климата (CORDEX), необходимы для количественной оценки этих локализованных эффектов.

Региональные изменения в изменениях ветровых ресурсов

Влияние изменения климата на ветровые ресурсы очень специфично для региона, и обобщения могут вводить в заблуждение. Синтез рецензируемых исследований показывает сложную мозаику увеличения и уменьшения плотности ветровой энергии по всему миру. Понимание этих региональных нюансов имеет решающее значение для разработчиков проектов, политиков и операторов сетей.

Европа

Европа была горячей точкой для исследований ветроэнергетики. Прогнозы климата для континента обычно указывают на снижение средней скорости ветра над средиземноморским бассейном, особенно летом, в то время как Северная Европа (особенно Северное море и Балтийские регионы) может испытывать небольшое увеличение или минимальные изменения. Исследование, опубликованное в , показало, что плотность энергии ветра над Великобританией и Ирландией может снизиться на 5-10% к середине века в сценариях с высоким уровнем выбросов, хотя неопределенность остается высокой. Последствия для массивного морского ветрогенерации в Европе значительны; Расчеты мощности турбин могут потребоваться для учета этих тенденций к снижению. В то же время, растущая вероятность спокойных периодов (события с низким ветром) могут подчеркнуть энергетические системы, которые в значительной степени зависят от ветра, подчеркивая необходимость диверсифицированных возобновляемых портфелей и хранения.

Северная Америка

В Северной Америке на Великих равнинах — «Саудовской Аравии ветра» — показывают смешанные сигналы. Некоторые климатические модельные ансамбли прогнозируют небольшое снижение средней скорости ветра над центральными США, особенно в течение лета, в то время как другие указывают на отсутствие существенной тенденции или даже скромное увеличение зимой. Основной механизм связан с изменениями градиента давления между Скалистыми горами и Мексиканским заливом. Между тем, морской ветер вдоль атлантического и тихоокеанского побережий может столкнуться с изменениями в ливневых путях, которые могут улучшить или ухудшить качество ресурсов. Например, потенциал для увеличения скорости ветра в заливе Мэн предлагает возможность, но регион также сталкивается с повышенными рисками от ураганов. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) разработала карты ветра с высоким разрешением, включающие климатические прогнозы для руководства будущим выбором места.

Азия и Океания

Азия представляет собой разнообразную картину. В некоторых моделях прогнозируется ослабление муссонных ветров в Южной и Юго-Восточной Азии, что приведет к снижению потенциала ветроэнергетики в сезон дождей. И наоборот, зимний муссон в Восточной Азии может усилиться, что принесет пользу ветряным электростанциям в северных провинциях Китая и Японии. Австралия сталкивается с прогнозируемым уменьшением зимних ветров на юго-западе, в то время как в тропических северных регионах может наблюдаться увеличение числа восточных ветров в течение лета. Вариабельность прогнозов подчеркивает необходимость локализованных исследований с использованием динамически пониженных региональных климатических моделей. Заметное исследование Азиатско-Тихоокеанского экономического сотрудничества (АТЭС) показало, что в некоторых частях Вьетнама и Филиппин могут наблюдаться повышенные скорости ветра, открывая новые возможности для развития оффшорного ветра, но также требуя надежной инфраструктуры против тайфунов.

Последствия для развития и эксплуатации ветроэнергетики

Развивающийся ландшафт ветровых ресурсов имеет прямые практические последствия для всей цепочки создания стоимости ветроэнергетики - от предварительных оценок осуществимости до оперативного управления. Разработчики и инвесторы, которые игнорируют климатические тенденции, рискуют переоценить будущие доходы от энергии, что приводит к снижению доходности, невыполнению обязательств по соглашениям о покупке электроэнергии или недостаточному спросу на энергосистемы.

Сайт Выбор и оценка ресурсов.] Традиционные оценки ветровых ресурсов основаны на исторических данных, но в нестационарном климате прошлое больше не является надежным руководством к будущему. Лучшая практика теперь требует включения прогнозов климатических моделей в процесс оценки ресурсов. Это включает использование ансамблей многомодельных прогнозов (например, из фазы 6 проекта Совместная модель Интеркомпаризон, CMIP6) и применение коррекции смещения, масштабирования и количественной оценки неопределенности. Такие инструменты, как Глобальный ветровой атлас, обновленный сценариями изменения климата, могут помочь определить регионы, где ветровые ресурсы, вероятно, останутся надежными или улучшатся.

Факторы мощности и удельная мощность. Даже умеренные изменения средней скорости ветра оказывают нелинейное влияние на производство энергии, поскольку энергия ветра пропорциональна кубу скорости ветра. Снижение средней скорости ветра на 5% может привести к снижению выходной мощности на ~15%, что значительно меняет экономику проекта. Аналогичным образом, изменения в распределении скоростей ветра — особенно частота событий с низким ветром и очень высокие ветры, которые вызывают сворачивание турбин — влияют на коэффициент мощности. Поэтому инвесторы должны требовать оценки урожайности с поправкой на климат при оценке предложений ветропарков.

Потребности в сетевой интеграции и хранении.] Повышенная изменчивость и потенциал для более частых и длительных периодов низкого ветра (засухи ветра) усложняют задачу балансировки спроса и предложения на электросетях, сильно зависящих от возобновляемых источников энергии. Операторы системы должны планировать более длительное хранение (например, гидронакачивание, сжатый воздух или водород), взаимосвязи с другими регионами и дополнительными источниками генерации, такими как солнечная или гидроэнергетика. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) подчеркивает, что климатически устойчивое энергетическое планирование должно интегрировать климатические данные для обеспечения надежности системы.

Инвестирование в расширенное сезонное прогнозирование , чтобы предвидеть аномалии ветровых ресурсов на месяцы вперед, что позволяет лучше планировать тепловое резервное копирование или отправку на хранение.

Разработка гибких и надежных турбин , которые могут эффективно работать в более широком диапазоне скоростей ветра и интенсивности турбулентности, и которые могут выдерживать более экстремальные порывы.

Постоянное наблюдение за климатическими тенденциями через анемометрические сети и спутниковые данные о ветре, а также регулярное обновление операционных моделей.

Диверсификация географических портфелей для распределения риска; парк ветропарков, распределенный по регионам с некоррелированными ветровыми режимами, может снизить общую изменчивость.

Стратегии адаптации и роль инноваций

Ветроэнергетика не пассивна перед лицом климатических изменений. Появляется набор стратегий адаптации - технологических, операционных и институциональных - для обеспечения того, чтобы ветроэнергетика оставалась надежной и экономической основой глобального энергетического перехода.

Продвинутое моделирование и прогнозирование климата

Одним из самых мощных инструментов адаптации является использование климатического моделирования высокого разрешения, адаптированного к ветроэнергетике. Ветроэнергетический сектор сотрудничает с климатологами для создания «климатических прогнозов риска», которые прогнозируют изменения ветровых ресурсов до 2050 года и далее. Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) теперь предлагает субсезонные прогнозы сезонных ветров, которые могут помочь операторам управлять закупками топлива и обязательствами по сети. Использование машинного обучения для улучшения ансамблевых прогнозов является активным исследовательским рубежом. Исследование из журнала возобновляемых и устойчивых источников энергии . ] показало, что сочетание прогнозов CMIP6 с историческими аналоговыми методами может снизить неопределенность в изменениях ветровых ресурсов до 30%.

Устойчивость инфраструктуры

Ветровые турбины все чаще проектируются для более экстремальных условий. Производители турбин, такие как Vestas и Siemens Gamesa, тестируют новые лопасти ротора и системы управления, которые могут обрабатывать более высокую турбулентность и порывы. Оффшорные турбины в регионах, подверженных тропическим циклонам, теперь проектируются со скоростью ветра, превышающей 250 км/ч. Кроме того, промышленность изучает плавучие морские ветровые платформы, которые могут быть перемещены в более глубокие воды, где ветровые режимы могут быть более стабильными или избегать штормов. Хотя это добавляет стоимость. Глобальный совет по ветроэнергетике (GWEC) рекомендует, чтобы все новые ветровые электростанции включали анализ чувствительности к изменению климата в свою проектную основу.

Политика и рыночные механизмы

Правительства и регулирующие органы играют ключевую роль в содействии адаптации. Это включает обновление атласов ветровых ресурсов с прогнозами климата, пересмотр технических стандартов для турбин и корректировку схем поддержки (например, тарифов на подачу или контрактов на разницу), чтобы отразить изменяющийся риск ресурсов. Некоторые юрисдикции в настоящее время требуют раскрытия информации о климатических рисках для крупных инфраструктурных проектов. Рыночные механизмы, такие как зеленые сертификаты или платежи за мощность, которые поощряют диспетчеризацию, могут стимулировать ветровые электростанции инвестировать в проекты хранения или гибридные проекты. Постоянная, долгосрочная политическая основа имеет важное значение для обеспечения уверенности разработчиков в инвестировании в меры по адаптации, которые могут иметь первоначальные затраты.

«Изменение климата — это не медленный, однородный сдвиг. Он вводит новые модели изменчивости, которые нам нужно понять, чтобы сохранить энергию ветра надежной. Адаптация средств с использованием лучших данных, более интеллектуальных турбин и более гибких сетей». — Доктор Ребекка Бартельми, Корнельский университет

Заключение

Изменение климата является мощной силой, которая уже меняет доступность ветровых ресурсов по всему миру. Воздействие не является однородным; некоторые регионы могут выиграть, в то время как другие сталкиваются с уменьшением ветрового потенциала. Поскольку мир инвестирует триллионы долларов в ветровую энергию для достижения чистых нулевых выбросов, игнорирование этих изменений не является вариантом. Отрасль должна выйти за рамки использования одних только исторических данных и принять решения, основанные на климате, на каждом этапе - от первоначального скрининга на месте до оперативного прогнозирования. Это требует тесного сотрудничества между климатологами, инженерами, инвесторами и политиками.

Проблемы значительны — неопределенность остается высокой во многих регионах, а меры по адаптации добавляют сложности и стоимости. Однако они также открывают возможности. Благодаря активному планированию смещения ветрового ресурса сектор ветроэнергетики может повысить свою устойчивость, сохранить доверие инвесторов и продолжать играть центральную роль в декарбонизации глобальной энергетической системы. Будущее, в котором ветровая энергия сосуществует с меняющимся климатом, возможно, но только если мы предпримем преднамеренные шаги для понимания и адаптации к ветрам перемен.

Для дальнейшего чтения проконсультируйтесь с Шестым оценочным докладом МГЭИК об изменении климата и энергетических системах [[IPCC AR6 WG III]], Глобальным ветровым докладом Глобального совета по ветроэнергетике [[GWEC]] и исследованием Департамента энергетики США по ветроэнергетическим технологиям о воздействии на климат [DOE Wind R&D] .