En matière de production d'énergie, il n'y a pas de déjeuner gratuit, Malheureusement.

Alors que le monde entame sa transition à grande échelle vers des sources d'énergie à faibles émissions de carbone, il est vital que les avantages et les inconvénients de chaque type soient bien compris et les impacts environnementaux des énergies renouvelables, aussi petits qu'ils puissent être par rapport au charbon et au gaz, sont considérés.

Dans deux articles—publiés dans Lettres de recherche environnementale et Joule —Des chercheurs de l'Université de Harvard constatent que la transition vers l'énergie éolienne ou solaire aux États-Unis nécessiterait cinq à 20 fois plus de superficie qu'on ne le pensait auparavant, et si de tels parcs éoliens à grande échelle étaient construits, réchaufferait les températures moyennes de surface sur la zone continentale des États-Unis de 0,24 degrés Celsius.

"Le vent bat le charbon quelle que soit la mesure environnementale, mais cela ne veut pas dire que ses impacts sont négligeables, " a déclaré David Keith, le professeur Gordon McKay de physique appliquée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et auteur principal des articles. « Nous devons nous éloigner rapidement des combustibles fossiles pour arrêter les émissions de carbone. Ce faisant, nous devons faire des choix entre différentes technologies bas carbone, qui ont tous des impacts sociaux et environnementaux. »

Keith est également professeur de politique publique à la Harvard Kennedy School.

L'une des premières étapes pour comprendre l'impact environnemental des technologies renouvelables est de comprendre quelle superficie serait nécessaire pour répondre aux futures demandes énergétiques des États-Unis. Même en partant des besoins énergétiques d'aujourd'hui, la superficie et les densités de puissance associées requises ont longtemps été débattues par les experts en énergie.

Dans des recherches antérieures, Keith et ses co-auteurs ont modélisé la capacité de production de parcs éoliens à grande échelle et ont conclu que la production d'énergie éolienne dans le monde réel avait été surestimée parce qu'ils avaient négligé de prendre en compte avec précision les interactions entre les turbines et l'atmosphère. Dans les recherches de 2013, Keith a décrit comment chaque éolienne crée une « ombre de vent » derrière elle où l'air a été ralenti par les pales de l'éolienne. Les parcs éoliens commerciaux d'aujourd'hui espacent soigneusement les turbines pour réduire l'impact de ces ombres de vent, mais étant donné que l'on s'attend à ce que les parcs éoliens continuent de se développer à mesure que la demande d'électricité d'origine éolienne augmente, les interactions et les impacts climatiques associés ne peuvent être évités.

Ce qui manquait à cette recherche précédente, cependant, étaient des observations pour appuyer la modélisation. Puis, il y a quelques mois, le United States Geological Survey a publié l'emplacement de 57, 636 éoliennes aux États-Unis. À l'aide de cet ensemble de données, en combinaison avec plusieurs autres bases de données du gouvernement américain, Keith et le boursier postdoctoral Lee Miller ont pu quantifier la densité de puissance de 411 parcs éoliens et 1, 150 centrales solaires photovoltaïques exploitées aux États-Unis en 2016.

"Pour le vent, nous avons constaté que la densité de puissance moyenne, c'est-à-dire le taux de production d'énergie divisé par la superficie de la centrale éolienne, était jusqu'à 100 fois inférieure aux estimations de certains grands experts en énergie, " dit Miller, qui est le premier auteur des deux articles. "La plupart de ces estimations n'ont pas pris en compte l'interaction turbine-atmosphère. "Pour une éolienne isolée, les interactions ne sont pas importantes du tout, mais une fois que les parcs éoliens sont à plus de cinq à 10 kilomètres de profondeur, ces interactions ont un impact majeur sur la densité de puissance."

Les densités d'énergie éolienne basées sur l'observation sont également bien inférieures aux estimations importantes du Département américain de l'énergie (DOE) et du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC).

Pour l'énergie solaire, la densité de puissance moyenne (mesurée en watts par mètre carré) est 10 fois supérieure à l'énergie éolienne, mais aussi bien inférieur aux estimations des principaux experts en énergie.

Cette recherche suggère que non seulement les parcs éoliens auront besoin de plus de terres pour atteindre les objectifs d'énergie renouvelable proposés, mais aussi, à si grande échelle, deviendrait un acteur actif du système climatique.

La question suivante, comme exploré dans le journal Joule , était l'impact de ces parcs éoliens à grande échelle sur le système climatique.

Pour estimer les impacts de l'énergie éolienne, Keith et Miller ont établi une base de référence pour le climat américain 2012-2014 à l'aide d'un modèle de prévision météorologique standard. Puis, ils couvraient un tiers de la zone continentale des États-Unis avec suffisamment d'éoliennes pour répondre à la demande actuelle en électricité des États-Unis. Les chercheurs ont découvert que ce scénario réchaufferait la température de surface des États-Unis continentaux de 0,24 degrés Celsius, les changements les plus importants se produisant la nuit lorsque les températures de surface ont augmenté jusqu'à 1,5 °C. Ce réchauffement est le résultat des éoliennes mélangeant activement l'atmosphère près du sol et en altitude tout en extrayant simultanément le mouvement de l'atmosphère.

Cette recherche soutient plus de dix autres études qui ont observé un réchauffement à proximité de parcs éoliens américains opérationnels. Miller et Keith ont comparé leurs simulations à des études d'observation par satellite dans le nord du Texas et ont constaté des augmentations de température à peu près constantes.

Miller et Keith s'empressent de souligner qu'il est peu probable que les États-Unis produisent autant d'énergie éolienne qu'ils en simulent dans leur scénario, mais un réchauffement localisé se produit dans des projections encore plus petites. La question de suivi est alors de comprendre quand les avantages croissants de la réduction des émissions sont à peu près égaux aux impacts quasi instantanés de l'énergie éolienne.

Les chercheurs de Harvard ont découvert que l'effet de réchauffement dans la zone continentale des États-Unis causé par les éoliennes est en fait plus important que l'effet de la réduction des émissions pendant le premier siècle de son fonctionnement. En effet, l'effet de réchauffement est principalement local au parc éolien, tandis que les concentrations de gaz à effet de serre doivent être réduites à l'échelle mondiale avant que les avantages ne soient réalisés.

Millar et Keith ont répété le calcul de l'énergie solaire et ont constaté que ses impacts climatiques sont environ dix fois inférieurs à ceux du vent.

"Les impacts climatiques directs de l'énergie éolienne sont instantanés, tandis que les avantages de la réduction des émissions s'accumulent lentement, " dit Keith. " Si votre perspective est les 10 prochaines années, l'énergie éolienne a en fait, à certains égards, plus d'impact sur le climat que le charbon ou le gaz. Si votre perspective est les mille prochaines années, alors l'énergie éolienne a énormément moins d'impact sur le climat que le charbon ou le gaz."

« L'ouvrage ne doit pas être vu comme une critique fondamentale de l'éolien, " a déclaré Keith. "Certains des impacts climatiques du vent seront bénéfiques - plusieurs études mondiales montrent que l'énergie éolienne refroidit les régions polaires. Plutôt, le travail doit être considéré comme une première étape pour devenir plus sérieux dans l'évaluation de ces impacts pour toutes les énergies renouvelables. Notre espoir est que notre étude, combinées aux observations directes récentes, marque un tournant où les impacts climatiques de l'énergie éolienne commencent à être sérieusement pris en compte dans les décisions stratégiques concernant la décarbonisation du système énergétique. »