미국 하버드대학 연구진이 수행한 연구는 대규모 풍력 단지의 현실적인 발전 용량(generating capacity)이 과대평가됐다고 제안했다.

 

사람들은 종종 상한 없이 가장 규모를 확대할 수 있는 동력 자원 중 하나를 풍력 발전(wind power)이라고 생각한다고 하버드 대학 소속의 물리학자인 David Keith는 밝혔다. 어쨌든 돌풍과 미풍은 유정이 마르는 것처럼 전 세계 규모로 소모될 것 같지는 않다.

 

그러나 2013년 2월 25일 Environmental Research Letters에 발표된 중간 규모의 대기 모델링(mesoscale atmospheric modeling) 연구는 대규모 풍력 발전의 발전 용량이 과대평가됐다고 새롭게 제안했다.

 

각 풍력 터빈(wind turbine)은 후방에서 공기가 터빈 블레이드에 대한 항력(drag)에 의해 속도가 지연되는 윈드 섀도(wind shadow)를 생성한다.

 

이상적인 풍력 단지는 균형을 유지하고 가능한 한 많은 터빈을 육상 쪽으로 배치하는 한편, 이러한 윈드 섀도의 영향을 감소시키기 충분한 공간이 있어야 한다. 그러나 풍력 단지가 규모가 커질 때, 풍력 단지는 상호 작용을 하기 시작하고 지역적 규모의 바람의 유형은 더욱 더 문제가 된다.

 

Keith의 연구는 대규모 풍력 발전 시설(100㎢ 이상)의 발전 용량이 0.5~1 W/m2(watts per square meter)에서 최고점에 이를 것이라는 것을 보여주었다. 터빈의 풍력에 대한 속도 지연 효과를 무시한 이전의 추정은 발전 용량이 2~7 W/m2에 이르는 것으로 보고된 바 있다. 간단하게 말해서, 우리는 과학자들이 생각했던 것만큼 많은 양의 풍력 발전에 접근할 수 없을 것으로 보인다.

 

기후 과학 및 기술 정책 분야에서 국제적으로 저명한 전문가인 Keith는 하버드 대학 SEAS(Harvard School of Engineering and Applied Sciences) 응용 물리학과 교수이며 하버드 케네디 스쿨(Harvard Kennedy School) 소속의 대중 정책 교수인 Gordon McKay 교수와 협의를 가졌다.

 

공동 저자인 전 Keith 연구실의 박사 후 연구원이며 현재는 노스캐롤라이나 대학(University of North Carolina) 지리 및 지구과학과 조교수로 재직 중인 Amanda S. Adams가 공동으로 연구에 참여했다.

 

풍력 에너지가 지니는 고유의 도전 과제 중 하나는 당신이 풍력 단지의 개발을 시작하자마자 자원을 수확하고, 자원을 변형시켜 실제적으로 접근 가능하게 만들기가 어렵다는 점이다.

 

그러나 풍력 발전을 정확하게 추정하는 것은 탄소 중립 에너지 자원을 추구하는 데 있어서 중요하다. 예를 들면, 태양, 풍력 및 수력 발전 등은 모두 현재 석탄 또는 오일에 의해 충족되는 에너지 수요를 충족시키는 데 중요한 역할을 한다.

 

전 세계 에너지 수요에 풍력 발전의 기여가 중요해지고 있으며, 그 기여가 10 또는 20% 더 증가한다면, 향후 반세기 또는 그 이전에 풍력 발전은 테라와트(terawatt) 규모의 자원으로 기여하게 될 것이라고 Keith는 밝혔다.

 

만약 우리가 풍력 발전으로 전체 지구를 커버할 수 있다면, 시스템은 100테라와트를 초과하는 상당히 거대한 양의 동력을 생성시킬 수 있을 것이라고 그는 지적했다. 그러나 연구진이 개발한 기후 모델링을 근간으로 하는 추정은 전 세계 풍력에 대한 효과가 배가되고 있는 이산화탄소의 영향보다 더 커질 수 있다고 연구진은 경고했다.

 

연구진의 결과는 우리가 상용 석탄보다 환경적 측면에서 훨씬 더 유익한 풍력 발전을 추구해서는 안 된다는 것을 의미하지는 않는다. 그러나 만약 우리가 풍력 발전을 이용하여 에너지의 1/3을 공급하기 위하여 풍력 발전의 규모를 확대하기를 원한다면, 이러한 지리 물리학적 한계는 중요한 의미를 갖게 될 것이라고 Keith는 덧붙였다. 그리고 터빈 항력(turbine drag)의 기후 효과가 유일한 제약은 아니며, 지리 및 경제적인 문제 역시 제약으로 작용한다.

 

만약 당신이 풍력 터빈으로 전 세계를 커버하는 영향에 관하여 관심을 가지지 않는다면, 풍력 발전에 대한 이론적인 상한 한계가 엄청날 것이라는 것은 명확하다고 Keith는 밝혔다. 풍력 발전을 구현하고자 할 때, 현실 세계에서 모든 제약을 고려할 필요가 있다.

 

당신은 풍력 터빈이 사람들이 실제로 거주하고 있는 지역과 풍력 공급이 상당한 제약이 있는 지역과 상대적으로 가깝게 위치할 필요가 있으며, 풍력 발전에 대해서는 환경적인 규제도 다루어야만 한다. 당신은 풍력 발전을 어느 장소에나 배치할 수는 없다.

 

지구 기후를 안정화시키기 위하여, 세계는 인간 수명 내에 탄소 배출이 없는 수십 테라와트의 동력을 공급할 수 있는 자원을 규명할 필요가 있을 것이다. 한편, 정책 입안자들은 이러한 풍력 발전으로 생산되는 에너지를 이용하기 위하여 새로운 기술을 개발하기 위한 자원을 어떻게 할당할 것인지를 결정해야만 한다.

 

이러한 목표를 수행하는 데 있어서 각 잠재적인 에너지 자원의 규모 확대에 대한 가치는 해당 동력 발전이 전 세계 에너지 수요의 10%에 이르는 3테라와트를 공급할 수 있는지 또는 0.3테라와트와 1% 이상인지 여부를 확인하는 것이다.

 

풍력 발전이 중간적인 입장에 있다고 Keith는 밝혔다. 풍력 발전은 아직까지 가장 규모를 확대할 수 있는 재생 자원이지만, 이 연구는 우리가 수 테라와트 이상을 넘어서는 풍력 발전으로 규모를 확대하고자 할 때, 풍력 발전의 한계와 기후 영향에 주의를 기울일 필요가 있을 것이라고 제안하고 있다고 Keith는 밝혔다. 이 연구는 NSERC(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) 후원으로 수행됐다.

 

 

 

 

 

 Harvard research suggests real-world generating capacity of wind farms at large scales has been overestimated

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Cambridge, Mass. ? February 25, 2013 - “People have often thought there’s no upper bound for wind power?that it’s one of the most scalable power sources,” says Harvard applied physicist David Keith. After all, gusts and breezes don’t seem likely to “run out” on a global scale in the way oil wells might run dry.
 
Yet the latest research in mesoscale atmospheric modeling, published today in the journal Environmental Research Letters, suggests that the generating capacity of large-scale wind farms has been overestimated.
 
Each wind turbine creates behind it a "wind shadow" in which the air has been slowed down by drag on the turbine's blades. The ideal wind farm strikes a balance, packing as many turbines onto the land as possible, while also spacing them enough to reduce the impact of these wind shadows. But as wind farms grow larger, they start to interact, and the regional-scale wind patterns matter more.
 
Keith’s research has shown that the generating capacity of very large wind power installations (larger than 100 square kilometers) may peak at between 0.5 and 1 watts per square meter. Previous estimates, which ignored the turbines' slowing effect on the wind, had put that figure at between 2 and 7 watts per square meter.
 
In short, we may not have access to as much wind power as scientists thought.
 
An internationally renowned expert on climate science and technology policy, Keith holds appointments as Gordon McKay Professor of Applied Physics at the Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) and as Professor of Public Policy at Harvard Kennedy School. Lead author Amanda S. Adams was formerly a postdoctoral fellow with Keith and is now assistant professor of geography and Earth sciences at the University of North Carolina at Charlotte.
 
"One of the inherent challenges of wind energy is that as soon as you start to develop wind farms and harvest the resource, you change the resource, making it difficult to assess what's really available," says Adams.
 
But having a truly accurate estimate matters, of course, in the pursuit of carbon-neutral energy sources. Solar, wind, and hydro power, for example, could all play roles in fulfilling energy needs that are currently met by coal or oil.
 
“If wind power’s going to make a contribution to global energy requirements that’s serious, 10 or 20 percent or more, then it really has to contribute on the scale of terawatts in the next half-century or less,” says Keith.
 
If we were to cover the entire Earth with wind farms, he notes, “the system could potentially generate enormous amounts of power, well in excess of 100 terawatts, but at that point my guess, based on our climate modeling, is that the effect of that on global winds, and therefore on climate, would be severe?perhaps bigger than the impact of doubling CO2.”
 
“Our findings don't mean that we shouldn’t pursue wind power?wind is much better for the environment than conventional coal?but these geophysical limits may be meaningful if we really want to scale wind power up to supply a third, let’s say, of our primary energy,” Keith adds.
 
And the climatic effect of turbine drag is not the only constraint; geography and economics matter too.
 
“It’s clear the theoretical upper limit to wind power is huge, if you don't care about the impacts of covering the whole world with wind turbines," says Keith. "What’s not clear-and this is a topic for future research-is what the practical limit to wind power would be if you consider all of the real-world constraints. You'd have to assume that wind turbines need to be located relatively close to where people actually live and where there's a fairly constant wind supply, and that they have to deal with environmental constraints. You can’t just put them everywhere.”
 
“The real punch line," he adds, "is that if you can’t get much more than half a watt out, and you accept that you can’t put them everywhere, then you may start to reach a limit that matters.”
 
In order to stabilize the Earth's climate, Keith estimates, the world will need to identify sources for several tens of terawatts of carbon-free power within a human lifetime. In the meantime, policymakers must also decide how to allocate resources to develop new technologies to harness that energy.
 
In doing so, Keith says, “It’s worth asking about the scalability of each potential energy source?whether it can supply, say, 3 terawatts, which would be 10 percent of our global energy need, or whether it’s more like 0.3 terawatts and 1 percent.”
 
“Wind power is in a middle ground,” he says. "It is still one of the most scalable renewables, but our research suggests that we will need to pay attention to its limits and climatic impacts if we try to scale it beyond a few terawatts."
 
The research was funded by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.