Eftersom vindkraftsparker på land och till havs har ökat globalt de senaste åren, ny forskning under ledning av University of Colorado Boulder belyser en tidigare underutforskad konsekvens:en kölvatteneffekt från vindkraftsparker som kan minska energiproduktionen hos sina grannar i medvind.

Studien, genomförs i samarbete med University of Denver (DU) och National Renewable Energy Laboratory (NREL), kombinerar juridisk och ekonomisk analys med atmosfärisk modellering för att visa att väckningseffekter - som uppstår när grupper av turbiner sänker vindhastigheten upp till flera mil bakom dem - är mätbara och förutsägbara, men förblir i stort sett obeskrivna i nuvarande amerikansk egendomslagstiftning.

Forskningen visas idag i tidskriften Naturenergi .

"Fynden belyser behovet av samordnad utveckling och medvetenhet om helheten för att maximera vindenergiproduktionen i hela landet, sa Julie Lundquist, huvudförfattare till studien och en docent vid CU Boulders avdelning för atmosfäriska och oceaniska vetenskaper (ATOC).

Vindenergiutvecklare letar efter platser med pålitliga vindresurser samt bekväm tillgång till elektriska transmissionsledningar, vilket leder till tät turbinutplacering i valområden med liten samordning mellan konkurrenter. Nästan 90 procent av amerikanska vindkraftsparker ligger inom 25 miles från en annan vindkraftpark – och ofta mycket närmare.

Men ungefär som en husägare vars en gång obehindrade utsikt blockeras av nybyggnation, studien visar att befintliga vindkraftsparker kommer att förlora värdefull energiproduktion om de plötsligt befinner sig i motvind från en ny granne och dess vind- och energireducerande kölvatten.

Genom att använda offentligt tillgängliga data om månatlig energiproduktion och dominerande vindriktning, forskarna modellerade kölvatteneffekten på ett par vindparker i West Texas, använda en tredje som kontroll. De fann att vindhastighetsminskningar på grund av etableringen av uppvindsparken minskade produktionen vid den nu neddragna parken med 5 procent från 2011-2015, en beräknad intäktsförlust på cirka 3,7 miljoner dollar.

"Precis som uppströms vattenanvändare medvetet eller omedvetet kan påföra ytterligare kostnader nedströms, samma effekt är i spel här, sa Daniel Kaffine, en medförfattare till studien och en professor vid CU Boulders ekonomiavdelning. "Vi hade en allmän känsla för denna interaktion tidigare och ville utforska den ytterligare med en blandning av samhällsvetenskap och atmosfärisk data."

Kaffine och Lundquist, båda stipendiater i Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), noterade att Texas gjorde en bra fallstudie på grund av dess nuvarande och framtida andel i vindenergiutveckling, samt historiska paralleller rörande nyttjanderätter för statens olje- och gastillgångar.

För över ett sekel sedan, olje- och gaslagstiftningen erkände "fångstregeln, " som gör det möjligt för en markägare att fånga en grannes oljeresurser genom att suga dem från en intilliggande brunn. Detta resulterade i dålig återhämtning av brunnsfält och avfall, så stater ingrep för att reglera produktionen genom välavstånd, sammanslagning och andra samordningsåtgärder. Liknande, stater har utvecklat vattenlagar som skyddar rättigheter för tidigare användare. Men nuvarande amerikansk egendomslagstiftning innehåller inga sådana bestämmelser för vindenergi.

"Det tog olja och gas och vattenlagar decennier att skapa dessa rättsliga regimer, sa K.K. DuVivier, en medförfattare till studien och en professor vid DU:s Sturm College of Law. "Det verkar som om vindenergin ännu inte har nått ett liknande mognadsstadium. Jag hoppas att den här forskningen kommer att bidra till att öka medvetenheten om omfattningen av det vakna problemet och utbilda dem som söker en rättslig lösning."

Turbinvak har observerats sträcka sig upp till 25 miles, potentiellt spänner över flera delstats- och länsjurisdiktioner och komplicera ärendena ytterligare.

"I den närmaste framtiden, vissa affärsincitament kan förändras, ", sa Kaffine. "Energiföretag kan lägga mer vikt vid att säkra hyresavtal i motvind för att säkerställa att de har tillräckligt med buffert."

Men även om juridisk vägledning kan ligga efter, Lundquist betonade att lagets sofistikerade atmosfärsvetenskapliga simuleringar visar att kölvatteneffekten är ett mycket förutsägbart atmosfäriskt fenomen som kan modelleras och planeras för i ljuset av de nya uppgifterna.

"Det är uppmuntrande att väckningseffekterna som ses i den ekonomiska analysen fångas av atmosfärssimuleringarna, sa Jessica Tomaszewski, en doktorand i ATOC som var medförfattare till den nya studien.

"De starkaste vaken inträffar på natten, när atmosfären är stabil och vindhastigheter och vindriktningar uppfyller specifika kriterier, " sade Lundquist. "Ur den simulerade månaden av vakna, bara 28 timmar, eller mindre än 4 procent av tiden, hade vakningar på över 20 procent av vindkraftsparkens kapacitet, tyder på att denna episodiska fråga kan förutses och hanteras. "

"Ägare och nätförvaltare kan använda denna information för att komma i förväg. Ny forskning vid NREL för att manipulera vaknar kan vara till hjälp, sade Tomaszewski. Till slut, dock, bättre samordning kommer att vara nödvändigt för att maximera de allmänna fördelarna med vindenergi. "

Att ta hänsyn till kölvatteneffekten kommer att vara särskilt avgörande för det stora antalet havsbaserade vindkraftparker som för närvarande håller på att utvecklas utanför USA:s östkust, Tillade Lundquist.

"Vindparker till havs är viktiga, men de är dyra att bygga och misstag blir lika dyra, " Hon sa.

"Detta projekt utforskar kopplingarna mellan ekonomiska, Rättslig, och sociala frågor och de geofysiska processerna i vindenergiproduktion, "sa Tom Baerwald, programdirektör för National Science Foundations program Dynamics of Coupled Natural and Human Systems, som finansierade forskningen. "Dessa resultat främjar vår förståelse av dessa interaktioner, och ge vägledning för framgångsrik utveckling av förnyelse energi för framtiden. "

Forskarna hoppas kunna utöka sina ansträngningar för att mäta vindkraftverkets väckningseffekter genom att införliva flygmätningar samt fånga data på en mer frekvent tidsskala från andra platser runt om i landet.