Resource Documents: Environment (253 items)
Unless indicated otherwise, documents presented here are not the product of nor are they necessarily endorsed by National Wind Watch. These resource documents are shared here to assist anyone wishing to research the issue of industrial wind power and the impacts of its development. The information should be evaluated by each reader to come to their own conclusions about the many areas of debate. • The copyrights reside with the sources indicated. As part of its noncommercial effort to present the environmental, social, scientific, and economic issues of large-scale wind power development to a global audience seeking such information, National Wind Watch endeavors to observe “fair use” as provided for in section 107 of U.S. Copyright Law and similar “fair dealing” provisions of the copyright laws of other nations.
Windparken mengen zich in het weer [Wind facilities interfere with the weather]
Author: Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut
Uit een recente studie met het KNMI weermodel blijkt dat windparken het weer beïnvloeden. De wind in de buurt van windparken neemt gemiddeld af en ook de temperatuur en luchtvochtigheid veranderen. Het is niet zo dat windenergie klimaatverandering veroorzaakt want het effect van windparken op het weer is plaatselijk. Toch is het effect in bepaalde weersituaties op grote afstand van het windpark nog merkbaar.
Windparken zijn atmosfeer-mixers
Draaiende rotorbladen van een windturbine zetten bewegingsenergie van de wind om in elektriciteit. Hierdoor neemt de wind achter de windturbine af. Bovendien mixen de rotorbladen de luchtlagen en maken ze wervels (turbulentie) waardoor vocht en warmte in de lucht beter doormengen. Dat kan ervoor zorgen dat wolken oplossen of vormen. Kortom: het weer verandert door windturbines, maar de vraag is hoe en hoeveel.
Weermodel inclusief het effect van windparken
Er komen steeds meer en grotere windparken. Daarom gebruikt het KNMI voor het maken van weersverwachtingen en waarschuwingen sinds afgelopen zomer een versie van weermodel HARMONIE-AROME inclusief het effect van die windparken op de atmosfeer. Met deze versie komt de door het model berekende wind in de omgeving van de windparken beter overeen met de metingen (figuur 1).
Figuur 1. Links het rekengebied van het weermodel HARMONIE-AROME met in rood de locatie van windturbines in 2016 en in blauw de positie van de twee lidars die de wind meten. Rechts de gemiddelde wind in 2016 op de locaties van de twee lidars volgens de metingen (kruisjes) en de berekeningen met (zwarte lijnen) en zonder het effect van de windparken (rode lijnen). Bron: Van Stratum et al., JAMES, 2022
Zogeffect het grootst in stabiele weersomstandigheden
Het effect dat een windpark heeft op het gebied in de windschaduw van het windpark (dus stroomafwaarts) heet het zogeffect. Dat effect is het grootst als de atmosfeer stabiel is. Stabiel wil zeggen dat de zee of het aardoppervlak kouder is dan de lucht erboven. Boven zee gebeurt dat vooral in het voorjaar en begin van de zomer. Omdat koude lucht zwaarder is dan warme, zal er in een stabiele atmosfeer minder verticale menging zijn dan in een onstabiele atmosfeer (waar de warme, lichte lucht onderin zit en op wil stijgen). Minder menging met de “onverstoorde” luchtlagen boven het windpark betekent dat zogeffecten minder snel teniet worden gedaan en op grotere afstand van het windpark nog aanwezig zijn. In stabiele situaties zien we dan ook soms op 50-150 km van het windpark nog een afname van de wind.
Ook de effecten op temperatuur en vocht zijn in stabiele situaties het grootst. Boven zee is de lucht in de onderste laag van de atmosfeer bij stabiel weer niet alleen kouder, maar ook vochtiger. De windturbines transporteren die koudere en vochtigere lucht naar luchtlagen boven de ashoogte van de turbines (figuur 2). Dat kan betekenen dat de kans op mist afneemt en de kans op laaghangende bewolking toeneemt, maar dat is nog niet onderzocht.
Figuur 2. Gemiddelde effect in 2016 van windparken op windsnelheid, (potentiële) temperatuur en luchtvochtigheid op de locatie van windpark Prinses Amalia (blauwe doorgetrokken lijn) en Gemini (zwarte onderbroken lijn) volgens berekeningen met het weermodel HARMONIE-AROME. Er is onderscheid gemaakt tussen stabiele (boven) en onstabiele (onder) weersituaties. Bron: Van Stratum et al., JAMES, 2022
Niet alleen zogeffecten
Het maakt uit of je een geïsoleerde rij windturbines hebt of een rij die als voorste rij onderdeel uitmaakt van een windpark. Als ze allebei vol in de wind staan (dus niet in het zog van andere windturbines), dan wekt de geïsoleerde rij meer energie op. Het windpark vormt namelijk een obstakel waar de wind omheen en overheen wil. Dat zorgt ervoor dat de wind wordt afgeremd stroomopwaarts van het windpark. Ook dit effect zit impliciet in het weermodel, maar hoe goed het model dit effect reproduceert is nog niet onderzocht.
Wat is het effect als het aantal windparken fors wordt uitgebreid?
Op de hele Noordzee stond in 2020 19 GigaWatt aan geïnstalleerd vermogen. In 2050 is dat naar verwachting ongeveer 10 keer zoveel! Het geïnstalleerd vermogen is de hoeveelheid energie die windturbines kunnen produceren als ze optimaal draaien. In werkelijkheid zal de opbrengst lager zijn door bijvoorbeeld zogeffecten of het stilstaan van windturbines voor onderhoud.
Wat gebeurt er met het weer als we de Noordzee vol zetten met windturbines? Hoeveel groter zijn die zogeffecten als er zoveel windparken bij komen? Is er een maximum aan hoeveel windenergie we op de Noordzee kunnen produceren? Het KNMI heeft dit samen met het bedrijf Whiffle en de TU Delft onderzocht in het WINS50-project. Het blijkt dat windparken in 2050 veel vaker in elkaars windschaduw komen te staan (figuur 3). Om een goede inschatting te kunnen maken van de electriciteitsproductie van windparken op de Noordzee wordt het daarom nog belangrijker dat we begrijpen hoe windparken zich mengen in het weer.
Figuur 3: Windparken in 2020 (links) en een hypothetisch windparkscenario voor 2050 (rechts) met het weer van 2020. Deel van de tijd (in %) waarvoor het verschil in windsnelheid op 100 m hoogte tussen HARMONIE-AROME met en zonder windparken voor oostenwind (30 graden rond 75°) groter is dan 1 m/s. Bron: https://wins50.nl
KNMI-klimaatbericht door Ine Wijnant, Natalie Theeuwes, Andrew Stepek (KNMI) en Peter Baas (Whiffle)
Offshore wind farms are projected to impact primary production and bottom water deoxygenation in the North Sea
Author: Daewel, Ute; et al.
Abstract – The wind wake effect of offshore wind farms affects the hydrodynamic conditions in the ocean, which has been hypothesized to impact marine primary production. So far only little is known about the ecosystem response to wind wakes under the premises of large offshore wind farm clusters. Here we show, via numerical modeling, that the associated wind wakes in the North Sea provoke large-scale changes in annual primary production with local changes of up to ±10% not only at the offshore wind farm clusters, but also distributed over a wider region. The model also projects an increase in sediment carbon in deeper areas of the southern North Sea due to reduced current velocities, and decreased dissolved oxygen inside an area with already low oxygen concentration. Our results provide evidence that the ongoing offshore wind farm developments can have a substantial impact on the structuring of coastal marine ecosystems on basin scales.
Ute Daewel, Naveed Akhtar, Nils Christiansen, Institute for Coastal Systems – Analysis and Modelling, Helmholtz-Zentrum Hereon, Geesthacht, Germany
Corinna Schrum, Institute of Oceanography, Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit, Universität Hamburg, Germany
Download original document: “Offshore wind farms are projected to impact primary production and bottom water deoxygenation in the North Sea”
Emergence of Large-Scale Hydrodynamic Structures Due to Atmospheric Offshore Wind Farm Wakes
Author: Christiansen, Nils; et al.
[Conclusion]
… Over time, the extraction of energy by offshore wind farms results in extensive areas of reduced wind speed and subsequently the decrease of the shear-driven forcing at the sea surface boundary. As this reduces the momentum transfer from the atmosphere into the ocean, horizontal velocities and turbulent mixing initially decrease several tens of kilometers around offshore wind farms. Thereby the induced perturbations imply significant changes for the residual currents in the respective areas. Furthermore, convergence and divergence of water masses lead to the formation of sea surface elevation dipoles, which over time merge into large coherent structures. As shown here, these large-scale anomalies in the sea surface elevation are one of the main drivers of wake-related processes in the ocean. In addition to the general reduction of turbulent mixing, the large- scale sea level alterations trigger lateral and vertical changes in the temperature and salinity distribution and affect the hydrodynamics in areas covered by offshore wind farms. However, the magnitude of these changes is rather small compared to the long-term variability of temperature and salinity and can hardly be distinguished from the interannual variability. A severe overall impact by the wake effects on the ocean’s thermodynamic properties is thus not expected but rather large-scale structural change in the stratification strength and unanticipated mesoscale spatial variability in the mean current field. Nevertheless, further investigations are necessary to assess possible feedback on the air-sea exchange and thus potential impact on the regional atmospheric conditions, since surface heating along with the reduction in turbulent mixing influences the upward heat and momentum fluxes from the ocean into the atmosphere.
In this study, the structural changes in stratification become noticeable in a couple of ways. Firstly, we observed large dipole-related changes in the potential energy anomaly, as the geostrophic and baroclinic changes alter the temperature and salinity distribution. Secondly, the reduction of mixing at offshore wind farms results in the enhancement of the stratification strength, in particular, during the decline of the summer stratification. While the structural changes in stratification are minor in shallow mixed waters, the pronounced alterations in stratified waters can translate to the mixed layer depth, which likely increases or decreases depending on the respective stratification changes. This, in turn, might be crucial for marine ecosystem processes (Sverdrup, 1953). During the stratified summer months, the mixed layer depth is acting as barrier for nutrients and phytoplankton and plays a major role for the ecosystem dynamics. Therefore, induced fluctuations of the mixed layer depth can entail the intrusion of nutrients from the pycnocline into the surface mixed layer or the spreading of the nutrient-poor surface layer, respectively. The alterations in the nutrient availability, in turn, might affect local primary production and the nutrient balance. Thus, further studies are required to elucidate the impact on marine ecosystems and organisms in the North Sea, with regard to current and future wind farm scenarios. …
Nils Christiansen, Ute Daewel, and Bughsin Djath, Institute of Coastal Systems, Helmholtz-Zentrum Hereon, Geesthacht, Germany
Corinna Schrum, Center for Earth System Research and Sustainability, Institute of Oceanography, Universität Hamburg, Germany
Download original document: “Emergence of Large-Scale Hydrodynamic Structures Due to Atmospheric Offshore Wind Farm Wakes”
Wind turbine wakes can impact down-wind vegetation greenness
Author: Diffendorfer, Jay; Vanderhoof, Melanie; and Ancona, Zach
Abstract—Global wind energy has expanded 5-fold since 2010 and is predicted to expand another 8–10-fold over the next 30 years. Wakes generated by wind turbines can alter downwind microclimates and potentially downwind vegetation. However, the design of past studies has made it difficult to isolate the impact of wake effects on vegetation from land cover change. We used hourly wind data to model wake and non-wake zones around 17 wind facilities across the U.S. and compared remotely-sensed vegetation greenness in wake and non-wake zones before and after construction. We located sampling sites only in the dominant vegetation type and in areas that were not disturbed before or after construction. We found evidence for wake effects on vegetation greenness at 10 of 17 facilities for portions of, or the entire growing season. Evidence included statistical significance in Before After Control Impact statistical models, differences >3% between expected and observed values of vegetation greenness, and consistent spatial patterns of anomalies in vegetation greenness relative to turbine locations and wind direction. Wakes induced both increases and decreases in vegetation greenness, which may be difficult to predict prior to construction. The magnitude of wake effects depended primarily on precipitation and to a lesser degree aridity. Wake effects did not show trends over time following construction, suggesting the changes impact vegetation greenness within a growing season, but do not accrue over years. Even small changes in vegetation greenness, similar to those found in this study, have been seen to affect higher trophic levels. Given the rapid global growth of wind energy, and the importance of vegetation condition for agriculture, grazing, wildlife, and carbon storage, understanding how wakes from wind turbines impact vegetation is essential to exploit or ameliorate these effects.
Jay E. Diffendorfer, Melanie K. Vanderhoof, and Zach H. Ancona
Geosciences and Environmental Change Science Center, United States Geological Survey, Denver, Colorado
Published 26 September 2022
Environmental Research Letters, Volume 17, Number 10
Download original document: “Wind turbine wakes can impact down-wind vegetation greenness”
