Приближается «пиковый ветер»?

Понятие «пика добычи нефти» в течение некоторого времени обсуждали (см. этот вопрос: установлен ли пик добычи нефти на 2013 год? ) людьми, которые верят, что мировые запасы углеводородов скоро будут настолько истощены, что годовая добыча вскоре снизится, что бы мы ни делали. об этом.

Недавняя статья в The Register предполагает, что аналогичная проблема может возникнуть раньше, чем ожидалось, с ветровой энергией.

Суть аргумента заключается в том, что сторонники защиты окружающей среды от использования энергии ветра как способа производства электроэнергии и предотвращения выбросов углекислого газа были слишком оптимистичны в своих прогнозах потенциала энергии ветра. Как говорится в исходной статье для истории о Регистре в своем резюме (выделено мной):

Оценки глобального ресурса ветровой энергии на суше колеблются от 56 до 400 ТВт. В большинстве оценок неявно предполагалось, что извлечение энергии ветра не изменяет крупномасштабные ветры настолько, чтобы значительно ограничить производство ветровой энергии. Оценки, которые не учитывают влияние сопротивления ветровой турбины на местные ветры, предполагают, что производство ветровой энергии на уровне 2–4 Вт м−2 может поддерживаться на больших территориях. Новые результаты мезомасштабной модели показывают, что производство энергии ветра ограничено примерно 1 Вт м-2 при масштабах ветряных электростанций более 100 км2. Мы находим, что результаты мезомасштабной модели количественно согласуются с результатами глобальных моделей, которые имитировали реакцию климата на гораздо большие мощности ветровой энергии.Оценки ветровых ресурсов, которые не учитывают влияние ветряных турбин на замедление крупномасштабных ветров, могут, таким образом, существенно переоценивать ресурсы ветровой энергии.

Является ли этот аргумент правдоподобным? Верящие в потенциал энергии ветра значительно переоценили его возможности?

Ответы (2)

Нет, The Register исказил историю.

В этом вопросе есть несколько частей. Резюме:

  1. «Пик ветра» — это миф : в ветре нет ничего похожего на то, как запасы углеводородов достигают такой точки истощения, что после этого годовая добыча неумолимо падает.

  2. Разгром методологии моделирования. Не завышали ли предыдущие оценки глобальные береговые ветровые ресурсы? В настоящее время на это нет ответа. Существует два противоречащих друг другу метода моделирования: агрегированный микромасштаб; и мезомасштаб. Мезомасштабное моделирование в этой новой статье Адамса и Кита (и в других связанных статьях Ли и Кита, а также в статье Ли и Клейдона в ответе Дэйвфа) еще не может быть подтверждено, поскольку недостаточно информации о производительности ветряных электростанций. площадью более 100 км 2 - мы их еще не строили. Пока у нас нет реальных данных об очень больших ветряных электростанциях, мы не можем сказать, какой метод моделирования является более точным.

  3. Это имеет значение? Нет, это не так. Существует широкий спектр различных оценок глобальных наземных ветровых ресурсов, полученных с использованием различных методов моделирования. Все они согласны с тем, что глобальные наземные ветровые ресурсы во много раз превышают глобальный спрос на электроэнергию. А в отсутствие подтверждения мезомасштабного моделирования оно не будет использоваться для проектирования ветряных электростанций, в которых по-прежнему будет использоваться микромасштабное моделирование.

«Пик Ветра» — это миф

Оригинал статьи в журнале здесь . Концепция Пика Нефти, аналогом которой считается Пик Ветра, представляет собой простое представление о том, что при истощении конечного невозобновляемого ресурса наступает время, когда уровень добычи достигает максимума, а затем снижается из года в год.

В документе Адамса и Кейта, о котором, как утверждает The Register, сообщается, такого заявления о ветре нет: в документе нет заявления о том, что существует ветровой ресурс, который будет исчерпан . Это потому, что ветер постоянно обновляется поступающим солнечным излучением.

Типичный пик нефти достигает пика, а затем истощается. Принимая во внимание, что глобальная ветровая генерация продолжает расти по мере увеличения глобальной мощности.

Асимптотическое производство ветра

В рассматриваемом документе моделируется выходная мощность на единицу площади и прогнозируется, что она выровняется на уровне около 1,2 Вт/м 2 . Это означает, что с увеличением установленной ветровой мощности мощность ветра будет по-прежнему иметь возрастающую кривую, а не пик и спад.

Вместо этого в документе утверждается, что существует убывающая отдача: то есть, увеличение количества ветра будет продолжать производить больше электроэнергии, но с уменьшающейся скоростью. Это то, что давно известно. Разница в том, что Адамс и Кейт заявляют, что это произойдет быстрее, чем предполагалось ранее, и что глобальный потенциал наземных ветровых ресурсов лишь в несколько раз превышает глобальный спрос на электроэнергию, а не во много раз.

Их конкретное проверяемое утверждение состоит в том, что:

производство ветровой энергии ограничено примерно 1 Вт/м 2 при масштабах ветряных электростанций более 100 км 2 .

Пока у нас очень мало ветряных электростанций большего размера , так что это остается теоретическим упражнением. В ближайшие 10 лет планируется построить ветряные электростанции значительно большего размера, так что мы узнаем об этом достаточно скоро.

Методология моделирования

Эта статья является частью продолжающейся в литературе дискуссии о наиболее подходящем способе моделирования спутного следа крупных наземных ветровых электростанций. Разница сводится к тому, моделируется ли след отдельной турбины вверх ( метод Джейкобсона агрегирования из микромасштаба) или используется

параметризация атмосферных воздействий массивов ветряных турбин

как это делают Адамс и Кейт в рассматриваемой статье (и как это делают Кейт и Ли, а также Ли и Клейдон). Это в некоторой степени вопрос веры в отношении того, увеличивает ли параметризация, отбрасывая детали отдельной турбины, полезность модели или уменьшает ее. Это вопрос веры, потому что пока у нас недостаточно данных от ветряных электростанций площадью более 100 квадратных километров для проверки мезомоделей.

Это интересная дискуссия об основах моделирования атмосферы, не в последнюю очередь потому, что Марк З. Джейкобсон — человек, буквально написавший об этом книгу . Его документы по этому вопросу перечислены здесь .

Имеет ли это значение для (международной) национальной политики?

Никаких последствий для (международной) национальной политики нет. Более ранние оценки показывают, что глобальные ресурсы ветра, по крайней мере, на порядок превышают глобальный спрос на электроэнергию, поэтому четверть этого ресурса (как предсказывают Адамс и Кейт) по-прежнему приводит к тому, что потенциальная глобальная ветроэнергетика на суше превышает глобальный спрос на электроэнергию. То есть. до сих пор нет значимого ограничения на береговые ветровые ресурсы. И это без учета огромного потенциала оффшорных ветровых ресурсов.

Имеет ли это значение для проектирования ветряных электростанций?

На данный момент нет: отдельные ветряные электростанции по-прежнему проектируются с использованием моделирования спутного следа на уровне отдельных турбин, а не только мезомасштабного моделирования Адамса и Кита. Если наступит время, когда эмпирические данные подтвердят их параметризованное мезомасштабное моделирование, тогда его можно будет использовать, потому что оно проще в вычислительном отношении, быстрее и требует меньше входных данных. Береговые ветряные электростанции площадью более 100 км 2 будут построены в ближайшее десятилетие, поэтому гипотеза, которую я упомянул выше, будет проверена.

Хорошее резюме некоторых ключевых вопросов. Но я думаю, что вы понимаете заголовок The Register буквально: я думаю, что они были немного причудливыми, используя термин «пиковый ветер» для обозначения того, что в будущем ветровые ресурсы сократятся. Они указывали на то, что некоторые оценки потенциала ветра смехотворно оптимистичны. Я думаю, это также доказывает, что, учитывая реалистичные ограничения на потенциал ветра, мы не должны ожидать, что он когда-либо удовлетворит большую часть мирового спроса. Вы все еще утверждаете обратное.
@matt_black Честно говоря, весь ваш первый абзац был о пике нефти, и вы даже назвали плато ветровой энергии «похожей проблемой», хотя на самом деле единственное сходство заключается в том, что Регистр назвал их обоих «пиковыми». Я думаю, что было бы справедливо, если бы ответ был слишком буквальным с заголовком, когда он читается так же, как и вопрос. И даже если оценки до смешного чрезмерно оптимистичны, это не имеет значения — у обеих сторон есть оценки того, что произойдет через пятнадцать-двадцать лет, и если оценки будут чрезмерно оптимистичными, у нас будет много предупреждений, чтобы строить меньше ветряных электростанций. .
«Это потому, что ветер постоянно обновляется поступающим солнечным излучением». Я настроен скептически. Количество солнечной радиации, достигающей Земли, ограничено. Количество, которое превращается в энергию ветра, более ограничено. Количество той энергии ветра, которую люди могут собрать, еще более ограничено и т. д. Конечно, есть максимальное количество ватт, которое можно получить от ветра, и, как пик нефти, максимум, который можно собрать экономически.
@endolith - вы, видимо, не понимаете разницы между возобновляемыми и невозобновляемыми ресурсами и значения «пика нефти». На Земле есть фиксированное количество нефти. Больше ничего не будет добавлено в масштабах времени, соответствующих людям. Это делает его невозобновляемым ресурсом. Ветер, однако, происходит от солнечной радиации, которая приходит каждое мгновение. Хотя, безусловно, существует потолок количества ветра, существующего в любой момент, объем энергии, которую люди могут извлечь в этот момент , не окажет никакого влияния на будущие ветровые ресурсы. Он возобновляем.
@AndrewHeath: Но предпосылка статьи заключается в том, что из ветра можно извлечь максимальное количество энергии (что, очевидно, верно), и что этот предел может быть достигнут быстро. Неважно, что общее количество энергии не ограничено. Важна скорость , с которой может производиться энергия.
@endolith - Это не вершина , это потолок . Пик означает надвигающийся спад . Терминология плохо применима к ветроэнергетике. Ваш первый комментарий показывает, что вы приравниваете пик нефти и пик ветра к одному и тому же, когда это абсолютно не так. Max Wind и Peak Oil были бы правильной характеристикой.
Я начинаю жалеть, что не использовала заголовок (провокационный, но не намеренный). Настоящая претензия состоит в том, что сторонники ветроэнергетики использовали до смешного чрезмерно оптимистичные оценки потенциала ветра (а также игнорировали экономические ограничения). Ни Регистр, ни мой вопрос не предполагали, что кто-то думает, что доступная ветровая энергия сократится . PS "пик нефти" спорен не смотря на то, что все конечные ресурсы неизбежно будут пиковыми, а потому что есть спор о том, что вызывает пик: экономика или истощение ресурсов).
@matt_black, как говорится в моем ответе, как мезо-, так и микромасштабное моделирование показывают, что ресурсы ветра на суше намного больше, чем глобальный спрос на электроэнергию, поэтому разница между прогнозами не имеет большого значения в реальном мире. Насколько мне известно, это всего лишь методологическая ссора между двумя школами моделирования, которая длится по крайней мере 8 лет, а может и больше. Пока у нас не будет нескольких ветряных электростанций мезомасштаба (> 100 кв. км), ни один из методов моделирования не может быть подтвержден для этого масштаба.
Как (когда-то) проектировщик ветряных электростанций, я бы не согласился с тем, что модели следа, используемые в их конструкции, не учитывают эффекты полного массива, хотя обсуждение того, какая модель «правильная», всегда оживленно. Если вам не посчастливилось проектировать безграничную безликую равнину, ваш макет всегда будет подвергаться компромиссам со стороны рельефа, среды обитания, растительности и рецепторов шума. Следовательно, плотность энергии в крупных проектах всегда будет меньше идеальной. Reg также, кажется, с удовольствием занимает негативную позицию в отношении возобновляемых источников энергии без причины, которую я не могу объяснить.
@scruss А, я вижу, то, что я написал в последнем абзаце, неясно. Я имел в виду, что в проекте фермы уровень разрешения соответствует уровню турбины; Я не имел в виду, что эффекты полного массива не учитываются; скорее, в этом проекте фермы используются детали, доступные на уровне турбины, чтобы получить правильные эффекты всего массива (то есть они используют моделирование в масштабе Джейкобсона или более точное, а не грубое моделирование в масштабе Кита).
Я почти уверен, что гибридный подход используется многими людьми в наши дни, но я просто практик, а не сторонник теории пробуждения. Часто цитируемый Лосось, JR должен мне пиво, так что я спрошу, когда мы встретимся в следующий раз. Я по-прежнему считаю, что Wm⁻² не является полезной метрикой для крупных наземных ветряных электростанций, поскольку возможности для развития огромных открытых площадей рядом с полезными линиями электропередач исчезающе редки.
@Oddthinking график 1 взят из кривой Хабберта: en.wikipedia.org/wiki/Hubbert_curve график 2 взят из модели Бевертона-Холта: fao.org/docrep/006/X8498E/x8498e0b.htm
@EnergyNumbers Хотя, конечно, глупо использовать термин «пик ветра» по аналогии с «пиком нефти», существует пик (в отличие от асимптоты) в выработке электроэнергии на единицу площади по сравнению с установленной мощностью на единицу площади, как показано на рис. 1А здесь: pnas.org/content/113/48/13570.full
Удивительный уровень знаний в этом ответе, а также у многих в комментариях. Спасибо (и scruss)!
@DavePhD, конечно, есть пик генерации на единицу площади по сравнению с установленной мощностью: это не новость и не имеет отношения к заявлению здесь.
@EnergyNumbers не «выработка электроэнергии на единицу площади по сравнению с установленной мощностью», производство электроэнергии на единицу площади по сравнению с установленной мощностью на единицу площади (что аналогично выработке электроэнергии по сравнению с установленной мощностью).
@EnergyNumbers, и да, это новость для некоторых, потому что в документе 2016 года говорится: «Обратите внимание, что скорость генерации не« насыщается », как это предлагается в ссылке 8, а скорее достигает максимального предела, выше которого производство электроэнергии снижается из-за дальнейшего замедление скорости ветра"
@DavePhD да, я понял, что ты имел в виду. И, конечно, есть пик: подумайте о минимально возможном расстоянии между турбинами. (подсказка: мы обычно относимся к шагу с точки зрения количества диаметров ротора; для наземных целей сетка 3Dx5D долгое время была довольно стандартной)
И либо Миллер неправильно понял [8], либо играет в глупые игры: [8] касается максимальной урожайности на единицу горизонтальной площади, о чем здесь и идет речь.
@EnergyNumbers Дело в том, что существует максимум производства электроэнергии при конечной, а не бесконечной установленной мощности. Это противоречит слову «насыщенность», которое ссылка 8 использует в своем названии. Он также отличается от формы графика, показанного в этом ответе.
@DavePhD нет, это не противоречит насыщению и не противоречит показанному графику. Потому что никто (кроме, видимо, Вас) никогда не считал бесконечную емкость на единицу площади. Вы думали о минимально возможном расстоянии между турбинами? Вы поняли подсказку? Позвольте мне помочь немного больше. Что будет означать расстояние между турбинами 0,9D?
@EnergyNumbers Этот ответ относится к «возрастанию до асимптотического максимума» и «с увеличением установленной мощности ветра мощность ветра будет по-прежнему иметь возрастающую кривую и не будет показывать пик». Теперь вы отрицаете это в своих комментариях.
Какие метки отсутствуют на графиках зависимости мощности ветра от времени? против установленной мощности? против Vegemite осталось?
DavePhD - вы говорите о мощности на единицу площади с возрастающей установленной мощностью на единицу площади. Принимая во внимание, что и вопрос, и мой ответ говорят о мощности на единицу площади с увеличением общей мощности на увеличивающейся площади.
@daniel в этом случае не нужен, так как достаточно умные читатели разберутся: это не так сложно, учитывая огромное количество контекста вокруг него. Вам нужна подсказка?
@Sklivvz Я удалил графики.

Согласно данным «Уменьшение скорости ветра за счет крупномасштабного развертывания ветряных турбин снижает эффективность турбин и устанавливает низкие пределы выработки ». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки , том 113, страницы 13570–13575, (2016):

Растущее развертывание ветряных турбин использует все большую долю кинетической энергии атмосферы, что, вероятно, снижает скорость ветра. Климатические модели могут явно имитировать эти эффекты (6–8) и привести к 10-кратному снижению ожидаемой скорости крупномасштабного производства электроэнергии с 3 до 5 Вт · м· м −2 , о которой сообщалось в исследованиях с использованием наблюдаемых скоростей ветра (3–5, 9) . , 10) до 0,3–0,5 Вт · м · м −2 , о которых сообщалось в исследованиях климатических моделей (6–8), с возможным значением около 1,0 Вт · м · 2 в более ветреных регионах, таких как Средний Запад США (6, 8, 11–13) .

...

Как показано в Таблице 1, существует множество подходов, основанных на наблюдениях, которые, пренебрегая этими атмосферными эффектами, резко завышают пределы мощности ветра в 10 раз . Учет этих атмосферных эффектов приводит к крупномасштабным ограничениям на использование энергии ветра в большинстве регионов суши, которые значительно ниже 1,0 Вт м −2 .

Итак, да, OP верен, что большое количество ветряных турбин уменьшает доступную кинетическую энергию ветра, но ссылка OP все еще завышает цифру 1,0 Вт м -2 . Согласно этому недавнему исследованию, это еще в 2 или 3 раза ниже.

В статье также объясняется, что существует пик не в смысле использования всего ветра, а вместо этого точка, после которой добавление большего количества турбин фактически уменьшает количество вырабатываемой электроэнергии:

Как и следовало ожидать, выработка электроэнергии сначала увеличивается с увеличением установленной мощности, но затем достигает максимальной скорости около 0,37 Вт· э · м - 2 на суше (0,59 Вт· э · м - 2 над океаном) при установленной мощности 24,3 МВт · км - 2 . на суше (9,1 МВт i км −2 над океаном). Обратите внимание, что скорость генерации не «насыщается», как это предлагается в ссылке. 8, а выработка достигает максимального предела, за которым выработка электроэнергии снижается из-за дальнейшего замедления скорости ветра (6, 7, 13).

Графики! Я бы проголосовал дважды, если бы для последнего предложения был красивый график
@daniel, вы видите здесь графики? pnas.org/content/113/48/13570/F1.expansion.html
@DavePhD да, я бы сказал, что у верхнего синего графика есть пик, это все еще какое-то недостижимое гигантское теоретическое значение. Кривая выходной мощности ветра из другого ответа больше похожа на мои домохозяйства: «% веджимита, вынутого из банки, по сравнению со временем».
@ Даниэль 9 МВт на квадратный километр. Это означает одну ветряную турбину Vestas V164 на квадратный километр. Конечно, не является недостижимым для конкретного региона.
Если бы мир был виртуализирован как карта полного уничтожения, то одному командиру понадобилось бы более 999 лет, чтобы построить такое количество ветряных электростанций в океане, и вам пришлось бы восстановить больше металла, чем есть на карте. (Это мой способ сказать, что я на самом деле не знаю, можно ли построить так много оффшорных ветряных электростанций)
Приближается «пиковый ветер»?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v