Wat voor invloed hebben windmolens op de wind en het weer?

Windturbines genereren turbulentie

Het onttrekken van energie uit de wind zorgt voor een sterke afname van de wind en een toename van de hoeveelheid turbulentie vlak achter de windturbines, in het zogenaamde zog (1). Naarmate de afstand tot de windturbine toeneemt, typisch een gebied dat zich over enkele honderden meters uitstrekt, herstelt de wind zich geleidelijk naar de ongestoorde waarde die er zou zijn zonder windturbine, en de intensiteit van de turbulentie neemt ook af (2). De reden dat de luchtsnelheid achter de turbine zich snel herstelt komt door de turbulente wervels die ervoor zorgen dat de sneller bewegende lucht rondom het zog wordt gemengd met de langzamere lucht in het zog. Alhoewel de energieonttrekking door de windturbine inderdaad moet leiden tot een afname van de wind, is dit effect op de grootschalige wind zeer klein. Dit komt omdat het gebiedje van de windbladen, waar energie aan de wind wordt onttrokken, klein is ten opzichte van de gehele ruimte waarover de snelheid in het zog zich kan herstellen, namelijk enkele honderden meters achter de turbine. Dit effect kan vergeleken worden met het volgende voorbeeld: Als je vlak achter een andere fietser rijdt heb je flink minder tegenwind, maar op enkele meters afstand wordt het windvoordeel al snel veel kleiner.

Figuur 1: Schematische weergave van de windverandering dichtbij een windturbine. (bron: Stephan de Roode)

De windverandering dichtbij een windturbine is schematisch weergegeven in Figuur 1. Een blauwe kleur geeft een afname van de wind aan, en een rode kleur een toename van de wind in de richting van de wind. De aanwezigheid van een obstakel, zoals een windturbine, zorgt al voor een afremming van de aanstromende lucht ervoor. De windturbine haalt energie uit de wind. Daarom is vlak achter de wieken de windafname het sterkst. In het gebied tussen de twee grijze lijnen, het zogenaamde zog, vindt er een sterke menging plaats door turbulente luchtwervelingen (kromme pijlen in Figuur 1). Turbulente wervels zijn vrijwel altijd aanwezig in de onderste laag van de atmosfeer, maar worden daarnaast enorm versterkt door de draaiing van de wieken. Omdat ongestoorde lucht, dat wil zeggen lucht die niet is afgeremd door de windturbine, mengt met de langzamer bewegende lucht in het zog, neemt zoals aangegeven met behulp van de rode pijlen de windsnelheid achter de turbine geleidelijk weer toe. De menging zorgt tegelijkertijd voor een afname van de wind nabij de rand van het zog, en dit is in Figuur 1 aangegeven met de blauwe pijlen.

Figuur 2: Wolken kunnen achter windturbines ontstaan zoals in de Horns Rev windpark in Denemarken. (3)

De grootte van het zoggebied neemt juist toe verder weg van de turbine. Hierdoor is er een effect op de lucht nabij het grondoppervlak, vooral omdat de door windturbines opgewekte turbulente luchtwervelingen zorgen voor extra vertikale menging van warmte, vocht en de wind. Overdag heeft dit relatief weinig effect omdat er dan al veel turbulentie ("thermiek") ontstaat door de opwarming van het grondoppervlak door de zon. 's Nachts neemt de hoeveelheid turbulentie juist af. Ook koelt de lucht in de onderste tientallen meters boven de grond dan sterker af dan er net boven. De turbulentie die door windturbines wordt opgewekt zorgt voor extra vertikale menging waardoor er meer warmere lucht omlaag wordt verplaatst. Dit leidt tot een iets minder sterke afkoeling van de lucht nabij de grond. De invloed van de door windturbines gegenereerde turbulentie is daarom potentieel het sterkst gedurende de nacht. Echter, onder omstandigheden waarbij typisch de sterkste afkoeling van de luchttemperatuur plaatsvindt, namelijk heldere nachten met lage windsnelheden, zijn windturbines niet operationeel.

Satellietwaarnemingen

Analyses van satellietwaarnemingen voor de periode 2003-2011 boven Texas (VS), waar in de periode 2005-2008 enkele van de grootste windparken ter wereld zijn gebouwd, tonen aan dat de grondtemperatuur tijdens de nacht gemiddeld tot 0.7 °C warmer is in vergelijking met nabijgelegen gebieden zonder windparken (4). Overdag is het effect van windturbines veel kleiner omdat de onderste laag van de atmosfeer dan al goed wordt doorgemengd door de turbulentie die ontstaat door de opwarming van het aardoppervlak door de zon.

Onderzoek met weersverwachtingmodellen

Ook weersverwachtingmodellen worden toegepast om de effecten van windparken op het weer te onderzoeken (5). Dit gebeurt door zowel de remmende werking op de wind als de productie van turbulentie door windparken mee te nemen in de berekeningen. De impact van windparken kan dan worden bepaald door de resultaten te vergelijking van modelberekeningen met en zonder windparken. Voor Europa is de impact van een windenergieproductie van 220 GW op het weer onderzocht, een hoeveelheid die nagenoeg gelijk is aan de huidige waarde (6). Er zijn kleine veranderingen in de seizoensgemiddelde temperatuur ter grootte van enkele tienden van een graad Celsius gevonden, en een afname van ongeveer 5% in de hoeveelheid neerslag in de winter in west Europa. Beide veranderingen zijn echter veel kleiner dan de typische variaties in het gemiddelde weer van jaar tot jaar, en worden gedeeltelijk toegeschreven aan een kleine verandering in de ligging van hoge en lage drukgebieden.

Verandert het toekomstige weer bij een verdere toename van de hoeveelheid windenergie?

In twee recente studies zijn verschillende toekomstscenario's voor windenergieproductie doorgerekend (7,8). Voor een hypothetisch scenario waarbij de totale elektriciteitsproductie van de VS wordt gegenereerd door windturbines wordt voor het Amerikaanse vasteland een toename in de jaargemiddelde temperatuur van 0.24°C gevonden (7). Indien er een lagere en meer realistische windenergieproductie als uitgangspunt wordt genomen, namelijk 20% van de totale elektriciteitsvraag, worden er lokale effecten gevonden die in overeenstemming zijn met satellietwaarnemingen rondom windparken, maar wordt er slechts een klein gemiddeld klimaateffect voor de gehele VS gevonden. De veelal kleine verschillen die worden gevonden voor de gemiddelde temperatuur op 2 m hoogte boven de grond hangen verder af van het seizoen en het windenergiescenario, en bedragen tussen de −0.14 and 0.02°C . Modelberekeningen suggereren verder dat een verviervoudiging van windenergiecapaciteit, bijvoorbeeld door middel van het vervangen door bestaande windturbines door grotere exemplaren, niet of nauwelijks tot een grotere impact op het weer zal leiden in vergelijking met een verdubbeling (8).

Hoe verhoudt de impact windparken op het weer zich met energieproductie uit fossiele brandstoffen?

Er is dus een kleine lokale impact op het weer in de buurt van windparken. Het gebruik van fossiele brandstoffen leidt tot de uitstoot van CO₂ in de atmosfeer waardoor de aarde opwarmt door een versterkt broeikaseffect. Voor een gelijke hoeveelheid productie van elektriciteit is de impact van windturbines op het klimaat kleiner dan bijvoorbeeld bij het gebruik van fossiele brandstoffen (6,7,8).

Hoe zit het met de beïnvloeding van windturbines op wolkenvorming?

Figuur 2: Sterke afname van wolkendikte in de nabijheid van windparken waargenomen vanuit een satelliet op 5 juni 2016. (12)

Kunnen windturbines dan niet het weer en klimaat beïnvloeden door middel van de wolkvorming zoals zo duidelijk op de foto (figuur 1) te zien is? De atmosferische condities die nodig zijn om wolken door windturbines te laten genereren komen in de praktijk weinig voor, en de spectaculaire wolkenvorming zoals te zien is op de foto is een uitzonderlijk geval (9). Er zijn twee mogelijke verklaringen geopperd om het verschijnsel te verklaren. Een hypothese is dat turbulentie achter de turbine de lucht hoog genoeg opwervelt waardoor het verzadigd raakt met waterdamp. Opstijgende lucht koelt namelijk af door zogenaamde adiabatische expansie. Omdat koudere lucht minder waterdamp kan bevatten kunnen er wolken ontstaan op het moment dat de verzadingswaarde van waterdamp wordt bereikt (9). Een andere hypothese is dat twee relatief vochtige, onbewolkte luchtlagen elk met een verschillende temperatuur worden doorgemengd ter hoogte van de windturbines (10). Dit effect is identiek aan de wolkvorming die bij het uitademen in koude vochtige lucht ontstaat. Dit wordt een 'mixing cloud' genoemd (11). Op satellietbeelden kan men overigens zeer incidenteel ook het omgekeerde vinden, namelijk het lokaal oplossen van bewolking (Figuur 2).