Porównanie śladu fizycznego: energia jądrowa, słoneczna i wiatrowa
Gęstość mocy dla energii jądrowej wynosi około 1000 W/m2 w porównaniu z 2-3 W/m2 dla wiatru i 100 W/m2 dla słońca (dane zaczerpnięte stąd). Po uwzględnieniu różnic we współczynnikach mocy wartości te sugerują, że do wytworzenia tej samej ilości energii farmy wiatrowe będą wymagały 500 tyle terenu, a farmy słoneczne (przy założeniu 20% sprawności) około 50 tyle. Porównamy ilość ziemi użytej (0,67 mili kwadratowej) pod elektrownię jądrową o mocy 3,2 GW (Hinkley Point C) z przykładami farm wiatrowych i słonecznych, aby zobaczyć, jak te liczby sprawdzają się w praktyce.
Kompleks Hinkley Point C to elektrownia jądrowa III generacji składająca się z 2 reaktorów EPR (europejskich reaktorów ciśnieniowych) o łącznej mocy nominalnej 3,2 GW. Ma ona szacowany współczynnik wydajności na poziomie 80% i będzie zużywać o 17% mniej uranu jako paliwa oraz produkować jedną trzecią długożyciowych odpadów radioaktywnych w porównaniu z istniejącymi reaktorami. Oczekuje się, że w ciągu 60-letniego okresu eksploatacji (który może zostać przedłużony do ponad 80 lat) zrównoważy emisję 9 mln ton CO2 rocznie. Zajmie 430 akrów (około dwóch trzecich mili kwadratowej) i będzie wytwarzać energię elektryczną dla 6 milionów domów. Przy założeniu 80% współczynnika wykorzystania mocy Hinkley C będzie wytwarzał 22 426 GWh/rok.
Pojedyncza turbina wiatrowa może wytworzyć od 10s kW do kilku MW energii elektrycznej. Turbiny o mocy poniżej 100 kW są wystarczające dla wielu małych zastosowań, takich jak gospodarstwa rolne, domy, szkoły lub małe zakłady przemysłowe. Turbiny o większej mocy są uważane za "skalę użytkową" i są zazwyczaj grupowane w farmy wiatrowe, dzięki czemu można wygenerować znaczne ilości energii elektrycznej w celu dostarczenia jej do sieci. Takie farmy wiatrowe muszą zapewniać wystarczającą przestrzeń pomiędzy turbinami dla zapewnienia wydajności. W przeciwnym razie zakłócenia w przepływie wiatru wokół jednej turbiny będą miały wpływ na sąsiednie turbiny i zmniejszą ogólną produkcję energii. Dla przykładu MacKay (https://www.withouthotair.com/) podaje wartość co najmniej 5 średnic wirników od siebie. Tak więc zwiększenie rozmiaru turbin wiatrowych nie spowoduje zmniejszenia powierzchni wymaganego terenu.
Przykładem obszaru wymaganego przez lądową farmę wiatrową jest farma wiatrowa Whitelee w pobliżu Glasgow, której łączna moc szczytowa (imienna) wynosi 322 MW i zajmuje 55 km2 (21,2 mil kwadratowych). Na podstawie tej liczby farma wiatrowa o mocy znamionowej 3,2 GW (moc znamionowa Hinkley Point C) zajmowałaby 550 km2 (212 mil kwadratowych). Jeśli wartość ta zostanie skorygowana o różnice we współczynniku wykorzystania mocy zainstalowanej, a Hinkley C zajmuje 0,67 mili kwadratowej, wówczas farma wiatrowa Whitelee musiałaby zajmować 840 mil kwadratowych, aby wytworzyć taką samą ilość energii elektrycznej jak Hinkley C.
Jednak tylko około 1-2% powierzchni ziemi zajmują turbiny. Możliwe byłoby więc wykorzystanie większości terenu do innych zastosowań, nawet paneli słonecznych. Kluczowym czynnikiem jest to, że inna działalność nie może zakłócać przepływu wiatru nad turbinami. Czysty przepływ powietrza jest znacznie bardziej istotnym czynnikiem przy znajdowaniu odpowiednich miejsc dla lądowych farm wiatrowych niż dla morskich farm wiatrowych.
Kilka przykładów morskich farm wiatrowych pozwala zmierzyć ilość wymaganego obszaru morskiego. Farma Kentish Flats o mocy 90 MW (moc podana na tabliczce znamionowej) zajmuje powierzchnię 10 km2 (3,9 mil kwadratowych), a farma wiatrowa North Hoyle u wybrzeży Prestatyn w Północnej Walii ma moc 60 MW (moc podana na tabliczce znamionowej) i zajmuje powierzchnię 8,4 km2 (3,2 mil kwadratowych). Jeśli te obszary zostaną skorygowane o różnice we współczynniku wykorzystania mocy i powierzchnię terenu zajmowaną przez Hinkley C, wówczas obszary morskie wymagane przez The Kentish Flats i Prestatyn do wytworzenia tej samej ilości energii elektrycznej co Hinkley C wynoszą odpowiednio 440 i 540 mil kwadratowych.
Morskie farmy wiatrowe mają tę dodatkową zaletę, że są w stanie osiągnąć wyższe współczynniki mocy niż farmy wiatrowe na lądzie. Średni współczynnik mocy dla 25 brytyjskich morskich farm wiatrowych w 2019 roku wyniósł 38,4%. Najwyższy współczynnik mocy osiągnęła farma wiatrowa Hywind, Szkocja - 59,1%. Całkowita wygenerowana moc była ze średnią mocą na jednostkę powierzchni 2,3 W/m2, co zgadza się z podaną przez MacKaya (w wydaniu jego książki z 2009 roku) wartością 2-3 W/m2. Dla porównania, średni współczynnik mocy dla 28 lądowych farm wiatrowych w Wielkiej Brytanii w 2019 roku wyniósł 26,6%.
Porównanie gruntów wymaganych przez elektrownię jądrową Hinkley Point C, farmę słoneczną Cleve Hall oraz lądowe i morskie farmy wiatrowe, wspomniane powyżej, pomoże zilustrować te różnice w wykorzystaniu gruntów.
Farma słoneczna o mocy 3,2 GW i współczynniku wykorzystania mocy zainstalowanej na poziomie 15% generowałaby 3,2 x 24 x 365 x 15% = 4,205 GW Hr/rok. Tak więc, aby wytworzyć taką samą ilość energii elektrycznej jak Hinkley C, potrzeba by było od 5 do 6 farm słonecznych o mocy 3,2 GW każda. Farmy te zajmowałyby 3,2 x 5000 x 5,5 = 88 000 akrów (około 138 mil kwadratowych). To obliczenie dla słonecznej opiera się na stwierdzeniu z quora.com, że 1MW nazwa płyta słoneczna farma wymaga 5 akrów niezacienionych gruntów. (Tak więc 1GW nazwa płyta zajęłaby 5,000 akrów (7.81 mil kwadratowych).) Niedawna farma słoneczna Cleve Hall planowana przez Wirsol Energy i Hive Energy, zlokalizowana poza Faversham w pobliżu wsi Graveney w Kent, będzie kosztować 450 mln funtów. Farma o mocy 350 MW będzie składać się z prawie 900 000 paneli słonecznych rozmieszczonych na 900 akrach ziemi uprawnej. Używając tych danych, farma słoneczna o mocy 3,2 GW zajmowałaby 8 229 akrów. Po skorygowaniu tej liczby o różnice we współczynniku wydajności (80/20) (przyjmijmy wspaniałomyślnie 20% współczynnik wydajności dla energii słonecznej na tej szerokości geograficznej) wymagany obszar wynosiłby około 33 000 akrów (52 mil kwadratowych), aby wygenerować taką samą roczną produkcję energii elektrycznej jak Hinkley C.
Alternatywne oszacowanie można przeprowadzić na podstawie twierdzenia deweloperów, że farma słoneczna Cleve Hall wytworzyłaby wystarczającą ilość odnawialnej energii elektrycznej, aby zasilić 91 000 domów i zmniejszyć emisję dwutlenku węgla w Wielkiej Brytanii o 68 000 ton rocznie. Porównanie danych liczbowych dotyczących Hinkley Point C i Cleve Hall Solar Farm sugeruje, że aby zapewnić wystarczającą ilość energii dla 6 milionów domów (jak twierdzi Hinkley C, EDF), należałoby pokryć panelami słonecznymi obszar około 28 350 akrów (44,3 mil kwadratowych).
Ponadto deweloperzy twierdzą, że farma słoneczna Cleve Hall zmniejszy emisję dwutlenku węgla w Wielkiej Brytanii o 68 000 ton rocznie i wygeneruje 1 mln funtów rocznie dla rad Kent i Swale. Tak więc, ponieważ Hinkley C twierdzi, że zmniejszy roczną emisję CO2 o 9M ton, do osiągnięcia takiej samej rocznej redukcji CO2 potrzebne byłyby około 132 farmy słoneczne wielkości Cleve Hall. Co więcej, prawdopodobnie farma słoneczna musiałaby zostać wymieniona 3 razy w ciągu okresu eksploatacji Hinkley C.
Liczba 132 farm słonecznych wydaje się zbyt duża. Podejrzewamy, że różnica może być taka, że farma Cleve Hall podaje tony emisji dwutlenku węgla, podczas gdy Hinkley C podaje tony CO2. Aby dokonać korekty, należy pomnożyć emisję dwutlenku węgla przez 3,67, aby uwzględnić różnice w masie atomowej węgla i masie cząsteczkowej dwutlenku węgla. Jeśli to założenie jest poprawne, to farma słoneczna Cleve Hall zaoszczędziłaby 68 000 x 3,67 ton CO2 rocznie, co daje 249 560 ton CO2. Byłoby to równoważne 132 / 3,67 = 36 gospodarstw słonecznych (9M/249 560) równa 32 370 akrów (51 mil kwadratowych).
Użyliśmy trzech różnych szacunków i doszliśmy do trzech różnych liczb 33.000, 28.350 i 32.370 akrów, ale wszystkie są w tym samym parku piłki. W oparciu o powyższe obliczenia, farma słoneczna musiałaby posiadać około 30 000 akrów (65 mil kwadratowych) ziemi, aby wytworzyć tyle samo energii elektrycznej rocznie, ile wytworzy Hinkley Point C. Wartość ta jest zbliżona do wartości 50 razy większej ilości ziemi wymaganej przez farmę słoneczną w porównaniu z elektrownią jądrową, określonej przez MacKay 'a jako wymaganej przez farmę słoneczną, aby wytworzyć taką samą ilość energii elektrycznej jak elektrownia jądrowa.
Prowadzone są również rozmowy na temat włączenia do projektu Cleve Hall jednej z największych na świecie instalacji magazynowania energii. Choć szczegóły dotyczące systemu magazynowania nie zostały jeszcze sprecyzowane, media donoszą, że może on być trzykrotnie większy niż system litowo-jonowy wykorzystywany przez Teslę w Australii.
Najnowszym osiągnięciem firmy Oxford PV jest pokrycie tradycyjnego ogniwa słonecznego perowskitem. Poprawia to konwersję energii słonecznej na energię elektryczną, ponieważ kryształy perowskitu są w stanie zaabsorbować szerszy zakres widma słonecznego niż tradycyjny krzem. Zazwyczaj krzemowe ogniwo słoneczne jest w stanie przekształcić do około 22% dostępnej energii słonecznej w energię elektryczną. Ale w czerwcu 2018 r. ogniwo słoneczne perowskitowe na krzemie firmy Oxford PV przewyższyło najlepiej działające ogniwo słoneczne na krzemie, osiągając nowy rekord świata wynoszący 27,3%. Powinno to doprowadzić do poprawy współczynników wydajności dla energii słonecznej. Ponieważ jednak współczynnik pojemności jest praktycznym oszacowaniem rzeczywistej energii produkowanej w danym okresie w porównaniu z pojemnością tabliczki znamionowej, dopiero okaże się, jaki wpływ będą miały panele słoneczne z perowskitem na krzemie na współczynniki pojemności dla energii słonecznej.
Współtwórcy
1. Duncan Roy, Lewes Green Party
2. Peter Vaughan, Partia Zielonych Wschodniego Devonu
3. Mark Yelland, Partia Zielonych Brighton & Hove