Morskie farmy wiatrowe – jakie efekty w morzach powodują?

10 lipca do sieci trafiła moc z pierwszej w Polsce morskiej farmy wiatrowej – Baltic Power budowanej przez Orlen i Northland Power. Na razie zainstalowano 54 z docelowych 76 turbin, ale część farmy już działa. Ostatecznie ma osiągnąć moc 1,2 GW. Przy tej okazji warto przypomnieć, co mówi nauka na temat wpływu tej technologii na ekosystem morski.

Wpływ morskich farmy wiatrowych

Swego czasu głośny stał się artykuł portalu Polonia Chirstiana na temat badania opublikowanego w Nature dotyczącego skumulowanego wpływu morskich farm wiatrowych na prądy i temperaturę powierzchni Morza Północnego („Cumulative hydrodynamic impacts of offshore wind farms on North Sea currents and surface temperatures”), a jeszcze bardziej – wpis na platformie X użytkownika GPW_Trader2022, zaprezentowany poniżej.

O ile artykuł Polonia Christiana nie ma szczególnie alarmującego tonu, poza niezbyt zgodnym z wydźwiękiem omawianej publikacji naukowej tytułem, o tyle tweet zawiera już liczne fake newsy, które zostaną omówione w kolejnym tekście. Badanie, na które powołał się użytkownik we wpisie dotyczy tylko fizycznego wpływu morskich farm wiatrowych na dynamikę morza, a nie natlenienia wód, opadów czy chmur. Ocieplenie mórz i oceanów jest wywoływane przez zmianę klimatu spowodowaną przez działalność człowieka.

Wnioskiem naukowców z badania z Nature jest to, że przy planowaniu morskich farm wiatrowych należy uwzględnić wpływ hydrodynamiki (np. odpowiednio dobierając zagęszczenie turbin), a nie że morskie farmy wiatrowe mają negatywny wpływ na ekosystem morski lub że będą miały „daleko idące konsekwencje dla ludzi”.

Nasze wyniki wskazują na fizyczny wpływ morskiej energetyki wiatrowej w skali całego basenu i podkreślają konieczność uwzględnienia skutków hydrodynamicznych przy planowaniu przyszłych morskich farm wiatrowych.
Autorzy badania „Cumulative hydrodynamic impacts of offshore wind farms on North Sea currents and surface temperatures”

O co naprawdę chodzi w badaniu?

„Morskie farmy wiatrowe w coraz większym stopniu kształtują dynamikę oceanów przybrzeżnych, jednak ich skumulowany wpływ fizyczny pozostaje słabo oszacowany. Wykorzystując trwające dekady symulacje Morza Północnego o wysokiej rozdzielczości, wykazujemy, że rozwój morskiej energetyki wiatrowej na dużą skalę może zmniejszyć prędkość prądu nawet o 20 proc.” – a dokładniej od 5 do 20 proc., zależnie od zagęszczenia turbin. Wiatr z kolei wpływa na prądy powierzchniowe i mieszanie wód.

„Przewidywany wzrost liczby instalacji wiatrowych na morzu Północnym budzi obawy o potencjalne systematyczne zmiany hydrodynamiczne na obszarach przeznaczonych pod intensywny rozwój” – warto zwrócić uwagę na słowo „potencjalne” i kwestię lokalności.

Co to znaczy „rozwój na dużą skalę”? Chodzi o zwiększenie łącznej mocy turbin wiatrowych na Morzu Północnym do 120 GW do 2030 r. i 300 GW do 2050 r. Do 2024 r. na Morzu Północnym zainstalowano około 23,5 GW energii wiatrowej na morzu, co oznacza około 4500 turbin w eksploatacji.

Jakie skutki powodują morskie farmy wiatrowe?

Podstawowym efektem, jaki wywołuje turbina wiatrowa, jest wytracenie energii kinetycznej przez wiatr po przejściu przez turbinę, czyli ślad aerodynaiczny (ang. wind wake lub wake effect). Badacze podkreślili, że przekierowany przez wirnik turbiny wiatr dociera do powierzchni morza nawet w odległości 10-krotnie większej niż średnica wirnika. Ślady aerodynamiczne wywoływane przez morskie turbiny wiatrowe mogą zmniejszać prędkość wiatrów wiejących przy powierzchni mórz o około 10-15 proc., co przekłada się na lokalne zmniejszenie prędkości o 0,005-0,010 m/s. Te wiatry są bardzo istotne, bo wpływają na inne procesy fizyczne i chemiczne zachodzące w morzach, atmosferze i na ich granicy. Jeśli więc turbiny wpływają na warstwę graniczną woda-powietrze, to mają też wpływ na warunki przy powierzchni morza, prądy powierzchniowe i mieszanie wód.

„Poniżej powierzchni morza konstrukcje palowe, takie jak fundamenty monopalowe, stanowią dodatkowy podwodny opór dla prądów pływowych, co wpływa na poziome prędkości przepływu i powoduje duże turbulencje w bezpośrednim sąsiedztwie turbin. Te ślady pływowe pojawiają się na znacznie mniejszą skalę niż ślady aerodynamiczne i rozciągają się na kilkaset metrów do kilometrów od konstrukcji palowych. Stwierdzono, że lokalne efekty ścinania podwajają współczynniki oporu dna morskiego za turbinami wiatrowymi i tworzą silne, ale specyficzne dla danego miejsca mieszanie pionowe, które może przekraczać mieszanie naturalne i zmniejszać pionowe gradienty w kolumnie wody, takie jak pionowe rozwarstwienie temperatury. Ostatnie symulacje modelowe wskazały, że w przypadku płytkich wód Morza Północnego opór gęsto zabudowanych farm wiatrowych może prowadzić do blokowania średnich prądów pływowych i zmniejszać lokalne prędkości prądów o około 5 proc.”. Znów warto zwrócić uwagę na pewne słowa kluczowe – jest to efekt lokalny, mieszanie występuje także naturalnie, Morze Północne jest dość płytkie, a wpływ na siłę tego efektu ma zagęszczenie turbin wiatrowych.

Jednakże badacze potwierdzają – opór powodowany przez morskie elektrownie wiatrowe – zarówno w atmosferze (przez wirnik), jak i w wodzie (przez fundamenty)  – wpływa na dynamikę mórz w skali lokalnej i regionalnej, co wywiera wpływ na środowisko morskie. Zarówno zmiany w wiatrach, jak i zmiany w pływach morskich wywoływane przez morskie farmy wiatrowe są w stanie modyfikować prądy morskie, mieszanie pionowe wód czy stratyfikację, czyli ułożenie warstw wód w zależności od gęstości (która zależy od temperatury i zasolenia). Od tego zależy np. dostępność pokarmu, a więc też występowanie gatunków w morzach.

Zmiany w mieszaniu wód wpływają także na temperaturę morza. Z jednej strony, prądy pływowe wzmacniają mieszanie turbulentne i przenoszą chłodniejszą wodę z głębi na powierzchnię, co obniża temperaturę powierzchni morza (SST). Latem SST w pobliżu farmy wiatrowej może spaść o nawet 0,5°C według modelu opracowanego przez badaczy. Z drugiej strony, ślady aerodynamiczne osłabiają wiatry powierzchniowe, które normalnie ograniczałyby wymianę ciepła między cieplejszą atmosferą a chłodniejszym morzem. W efekcie wzrost temperatury powierzchni morza może sięgnąć lokalnie 0,2°C.

W obecnych warunkach w gęsto zabudowanej turbinami Zatoce Niemieckiej uśrednione sezonowe ocieplenie powierzchni morza wynosi maksymalnie 0,05°C, czemu towarzyszy ochłodzenie spowodowane obecnością monopali turbin o 0,15°C w bezpośrednim sąsiedztwie farm wiatrowych.

Od czego zależy wpływ?

Jak podkreślają badacze wielokrotnie w swojej publikacji, kluczowy wpływ na opisane wyżej efekty ma zagęszczenie turbin na farmie wiatrowej. W symulacjach naukowców odstępy między turbinami wynoszą około 3000 m wytwarzają jedynie niewielkie skumulowane turbulencje, podczas gdy odstępy 1000 mlub mniej wywołują wyraźne efekty w wodzie i powietrzu.

Naukowcy podali, że silniejszy wpływ morskich farm wiatrowych na prądy powierzchniowe w morzu obserwowany jest w lokalizacjach o większym zagęszczeniu farm wiatrowych – Holandii i Belgii, a szczególnie w Zatoce Niemieckiej. Mniej wyraźne zmiany można zaobserwować na wodach brytyjskich, gdzie farmy wiatrowe są rozmieszczone w większych odległościach od siebie.

„Reakcja hydrodynamiczna” morza na funkcjonowanie turbin zależy także od tego, jakie są już obecne warunki hydrodynamiczne w danej lokalizacji. Znaczenie mają również uwarunkowania i właściwości samej farmy.