Načrtovanje naravne pozitivne poti do trajnostne energetske prihodnosti

Bližajoča se konferenca ZN o podnebnih spremembah (COP27), ki bo potekala novembra v Egiptu, osredotoča pozornost na poti, potrebne za doseganje globalnih podnebnih ciljev. Hitra dekarbonizacija gospodarstev je osrednjega pomena za stabilizacijo podnebja, vključno z doseganjem sistemov z ničelno neto močjo do leta 2050. Ker pa se svet sooča tudi s krizo narave/biotske raznovrstnosti in si prizadeva doseči vrsto razvojnih ciljev, morajo te poti upoštevati njihov vpliv na skupnosti in ekosistemi; stabilizacija podnebja bi si morala prizadevati za skladnost z vzdrževanjem zemeljskih sistemov za vzdrževanje življenja.

Nekaj ​​projekcij o tem, kaj je potrebno za doseganje elektroenergetskih sistemov, skladnih s 1.5° Podnebni cilj C vključuje podvojitev globalne zmogljivosti hidroelektrarn, kot so tiste iz Mednarodna agencija za energijo (IEA) in Mednarodna agencija za obnovljivo energijo (IRENA). Čeprav je to manjše sorazmerno povečanje kot pri drugih obnovljivih virih energije, kot sta veter in sončna fotonapetostna energija, za katere se predvideva, da se bodo povečali za več kot dvajsetkrat, podvojitev globalne zmogljivosti hidroelektrarn vseeno predstavlja dramatično širitev glavne infrastrukture, ki bo vplivala na svetovne reke – in raznolike koristi, ki jih zagotavljajo družbam in gospodarstvom od sladkovodnega ribištva, ki hrani stotine milijonov ljudi, do ublažitve poplav in stabilnih delt.

Le ena tretjina največjih svetovnih rek še vedno prosto teče – in podvojitev svetovne zmogljivosti hidroelektrarn bi povzročila zajezitev približno polovice teh zmogljivosti, medtem ko bi proizvedli manj kot 2 % potrebne proizvodnje iz obnovljivih virov leta 2050.

Skoraj vsi novi energetski projekti, vključno z vetrno in sončno energijo, bodo povzročili nekaj negativnih vplivov, vendar pa bodo izgube glavnega tipa ekosistema – velikih, prosto tekočih rek – v tem obsegu bo imela velike kompromise za ljudi in naravo na svetovni ravni. Širitev hidroelektrarn si kot taka zasluži posebno skrbno načrtovanje in odločanje. Tukaj preučujem nekaj glavnih vprašanj, pomembnih za ocenjevanje hidroenergije, vključno z vprašanji, ki so pogosto napačno razumljena.

Za male hidroelektrarne se pogosto domneva, da so trajnostne ali z majhnim vplivom, vendar pogosto ni tako. Male hidroelektrarne niso dosledno opredeljene (npr. nekatere države klasificirajo "male hidroelektrarne" vse do 50 MW), vendar so pogosto kategorizirane kot projekti pod 10 MW. Ker se za projekte te velikosti pogosto domneva, da imajo manjše vplive na okolje, projekti malih hidroelektrarn pogosto prejemajo spodbude ali subvencije in/ali imajo koristi od omejenega okoljskega pregleda. Vendar pa lahko širjenje jezov malih hidroelektrarn povzroči precejšnje kumulativne učinke. Poleg tega lahko celo majhen projekt na posebej slabi lokaciji povzroči presenetljivo velike negativne učinke.

Tudi pretočna hidroenergija je pogosto predstavljena z omejenimi negativnimi vplivi, vendar so nekateri jezovi z največjim vplivom na reke pretočni jezovi. Pretočni jezovi ne hranijo vode za daljša obdobja; količina vode, ki priteče v projekt, je enaka količini, ki odteče iz projekta – vsaj na dnevni ravni. Vendar pa lahko pretočni projekti shranijo v enem dnevu, ko delujejo za "hidropiking", shranjujejo vodo ves dan in jo sproščajo v nekaj urah največjega povpraševanja. Ta način delovanja lahko povzroči velike negativne vplive na spodnje rečne ekosisteme. Ker pretočni jezovi nimajo velikih akumulacijskih rezervoarjev, ne povzročajo nekaterih večjih vplivov na ljudi in reke, povezanih z velikimi akumulacijskimi rezervoarji, vključno z obsežnim premikanjem skupnosti in motnjami v sezonskih vzorcih rečnega toka. Toda te razlike prepogosto vodijo do obsežnejših posplošitev, da pretočni projekti nimajo vpliva na reke – oz. tudi ta pretočna hidroelektrarna ne potrebuje jezu. Medtem ko nekateri pretočni projekti ne vključujejo jezu čez celotno strugo, mnogi veliki pretočni projekti zahtevajo jez, ki razdrobi rečno strugo (glejte sliko spodaj). To neustrezno posploševanje postane še posebej problematično, ko zagovorniki projekta opozarjajo na njegov status pretočnosti reke kot na kratko, ker trdijo, da bo imel minimalne vplive. To »prenagljeno posploševanje« so uporabili zagovorniki jezu Xayaboury na reki Mekong, ki močno vpliva tako na selitev rib kot na lovljenje usedlin, ki jih potrebuje dolvodna delta.

Medtem ko se okoljski pregledi jezov za hidroelektrarne pogosto osredotočajo na lokalne razmere, se lahko negativni vplivi dejansko pokažejo tudi več sto kilometrov stran od jezu. Ko jezovi hidroelektrarn blokirajo gibanje rib selivk, lahko povzročijo negativne vplive na ekosisteme v celotnem porečju, tako gorvodno kot dolvodno od jezu. In ker so ribe selivke pogosto med najpomembnejšimi dejavniki sladkovodnega ribištva, to pomeni negativne vplive na ljudi, tudi na tiste, ki živijo več sto kilometrov od mesta jezu. Hidroelektrarne so največ prispevale do dramatičnih svetovnih izgub rib selivk, ki so od leta 76 zmanjšal za 1970 %, z odmevnimi primeri, kot sta reki Columbia in Mekong. Drugi vpliv na dolge razdalje je sediment. Reka je več kot tok vode, je tudi tok usedlin, kot sta mulj in pesek. Reke odložijo to usedlino, ko vstopijo v ocean in ustvarijo delto. Delte so lahko izjemno produktivne – tako za kmetijstvo kot za ribištvo – in več kot 500 milijonov ljudi zdaj živi v deltah po vsem svetu, vključno z deltami Nila, Gangesa, Mekonga in Jangceja. Vendar, ko reka vstopi v akumulacijo, se tok znatno upočasni in velik del usedlin izpade in ostane "ujet" za jezom. Rezervoarji zdaj zajamejo približno eno četrtino svetovnega letnega toka usedlin –mulj in pesek, ki bi sicer pomagal ohranjati delte ob eroziji in dvigovanju morske gladine. Nekatere ključne delte, kot je Nil, so izgubile več kot 90 % svoje zaloge sedimentov in zdaj tonejo in se krčijo. Tako imajo lahko jezovi za hidroelektrarne velik vpliv na ključne vire v velikih porečjih, vključno z svetovno pomembne zaloge hrane, vendar se prepogosto okoljski pregled hidroenergetskih projektov osredotoča predvsem na lokalne vplive.

Prehod rib okoli jezov je le redko omilil negativne vplive jezov na ribe selivke. Prehodi za ribe, kot so ribje lestve ali celo dvigala, so pogosta zahteva za ublažitev jezov. Prehodi za ribe so bili prvotno razviti na rekah, ki so imele močne plavajoče in skakajoče vrste rib, kot je losos, vendar se prehodne strukture zdaj dodajajo jezom na velikih tropskih rekah, kot je Mekong ali pritoki Amazonke, čeprav je podatkov zelo malo. ali primere, kako poteka prehod rib v teh rekah. A 2012 pregled vseh strokovno pregledanih študij o uspešnosti prehoda rib ugotovili, da je prehod rib veliko boljši pri lososu kot pri drugih vrstah rib; v povprečju imajo strukture 62-odstotno uspešnost pri plavanju lososa proti toku. Ta številka se morda zdi visoka, vendar mora večina rib krmariti več jezov zapored; tudi z relativno visoko stopnjo uspešnosti 62 % pri vsakem jezu bi manj kot četrtina lososov uspešno prestala tri jezove. Pri nelososih je bila stopnja uspešnosti 21 % – tudi s samo dvema jezoma bodo uspešni le 4 % selitvenih rib (glejte spodaj). Poleg tega večina rib potrebuje tudi selitev navzdol, vsaj za ličinke ali mladice rib, stopnja prehoda navzdol pa je pogosto še nižja.

Hidroenergija ni več najcenejša tehnologija za proizvodnjo obnovljivih virov energije. V zadnjih desetletjih so se stroški vetra znižali za približno eno tretjino, stroški sončne energije pa za 90 % – in zdi se, da se bo to znižanje stroškov verjetno nadaljevalo. medtem, povprečni stroški hidroenergije so se v zadnjem desetletju nekoliko povečali, tako da je veter na kopnem postal najnižji povprečni strošek med obnovljivimi viri energije. Čeprav je njegova povprečna cena še vedno nekoliko višja od vodne energije, so sončni projekti zdaj dosledno postavlja rekord za najcenejši energetski projekt.

Hidroelektrarne imajo med velikimi infrastrukturnimi projekti najvišjo pogostost zamud in prekoračitev stroškov. Študija EY je pokazala, da je pri 80 odstotkih hidroenergetskih projektov prišlo do prekoračitev stroškov s povprečno 60-odstotno prekoračitvijo. Oba deleža sta bila najvišja med vrstami velikih infrastrukturnih projektov v njihovi študiji, vključno s fosilnimi in jedrskimi elektrarnami, vodnimi projekti in vetrnimi projekti na morju. Študija je tudi ugotovila, da je pri 60 odstotkih hidroenergetskih projektov prišlo do zamud s povprečno skoraj triletno zamudo, ki so jo presegli le projekti na premog, ki so imeli nekoliko daljše povprečne zamude.

Hidroenergija lahko zagotovi trdno proizvodnjo ali shranjevanje energije v podporo spremenljivim obnovljivim virom energije, kot sta veter in sonce.

Veter in sonce sta že vodilni obliki nove proizvodnje, dodane vsako leto, in napovedi predvidevajo nizkoogljična omrežja, kjer sta veter in sonce prevladujoči obliki proizvodnje. Ampak stabilna omrežja bodo potrebovala več kot vetrno in sončno energijo, potrebovala bodo tudi kombinacijo trdne proizvodnje in shranjevanje, ki bo uravnotežilo omrežja v obdobjih – od minut do tednov – ko razpoložljivost teh virov upade. V mnogih omrežjih je hidroenergija med tehnologijami, ki lahko zagotovijo trdno energijo. Ena vrsta hidroenergije – črpalna hidroelektrarna (PSH) – je trenutno prevladujoča oblika skladiščenja v omrežjih (približno 95 %). V projektu PSH se voda črpa navzgor, ko je energije veliko in se shranjuje v zgornjem rezervoarju. Ko je potrebna energija, voda teče nazaj navzdol do spodnjega rezervoarja in tako proizvaja elektriko za omrežje.

… vendar je te storitve pogosto mogoče zagotoviti brez nadaljnje izgube prosto tekočih rek. Raziskav večje naložbe v vetrno in sončno energijo kot nadomestilo za hidroenergijo z velikimi negativnimi vplivi ali skozi skrbno umestitev nove hidroelektrarne ki preprečuje gradnjo jezov na večjih prosto tekočih rekah ali na zavarovanih območjih. Poleg tega je mogoče dva rezervoarja projekta črpalne akumulacije zgraditi na lokacijah stran od rek in krožiti vodo naprej in nazaj med njima. Raziskovalci z avstralske nacionalne univerze so preslikali 530,000 lokacij po vsem svetu z ustrezno topografijo za podporo črpalnemu shranjevanju zunaj kanalov, pri čemer je potreben le majhen del za zagotovitev zadostnega shranjevanja za omrežja, v katerih prevladujejo obnovljivi viri energije, po vsem svetu. Obstoječi rezervoarji ali druge značilnosti, kot npr zapuščene rudarske jame se lahko uporablja tudi v projektih črpalnih skladišč.

Vsi globalni scenariji, skladni s podnebnimi cilji, ne vključujejo podvojitve vodne energije. Čeprav več uglednih organizacij (npr. IEA in IRENA), ki modelirajo, kako so lahko prihodnji elektroenergetski sistemi skladni s podnebnimi cilji, vključuje podvojitev globalne zmogljivosti hidroelektrarn, to niso vsi takšni scenariji. Na primer, medtem ko modela IEA in IRENA vključujeta vsaj 1200 GW novih hidroelektrarn do leta 2050, so med scenariji, ki jih uporablja Medvladni odbor za podnebne spremembe (IPCC), skladni s 1.5.° C, približno četrtina jih je vključevala manj kot 500 GW nove hidroelektrarne. Podobno je En zemeljski podnebni model, prav tako v skladu s 1.5° Cilj C vključuje le približno 300 GW nove hidroelektrarne do leta 2050.

Proizvodnja hidroelektrarn se lahko razširi brez novih jezov Energetski sistemi lahko dodajo proizvodnjo hidroenergije brez dodajanja novih jezov za hidroelektrarne na dva glavna načina: (1) naknadno opremljanje obstoječih projektov hidroelektrarn s sodobnimi turbinami in drugo opremo; in (2) dodajanje turbin jezom brez pogona. A študija ameriškega ministrstva za energijo ugotovil, da bi ta dva pristopa s pravimi finančnimi spodbudami lahko dodala 11 GW hidroenergije ameriški hidroelektrarni, kar je 14-odstotno povečanje glede na današnjo zmogljivost. Če bi bil podoben potencial na voljo v drugih državah po svetu, bi to predstavljalo več kot polovico dodatne globalne hidroelektrarne, vključene v En zemeljski podnebni model do leta 2050. Poleg tega bi dodajanje projektov »lebdeče sončne energije« na rezervoarjih za jezovi hidroelektrarn, ki pokrivajo samo 10 % njihove površine, lahko dodalo 4,000 GW novih zmogljivosti, ki lahko proizvede približno dvakrat toliko energije, kot jo proizvede današnja hidroelektrarna.

Hidroenergija je občutljiva na podnebne spremembe, kar poudarja vrednost raznolikih omrežij. Bila sem glavni avtor študije ki je ugotovil, da bo do leta 2050 61 odstotkov vseh svetovnih jezov za hidroelektrarne v bazenih z zelo visokim ali izjemnim tveganjem za suše, poplave ali oboje. Do leta 2050 bo 1 od 5 obstoječih jezov hidroelektrarn zaradi podnebnih sprememb na območjih z visoko poplavno ogroženostjo, kar je danes 1 od 25. A študij v Narava Podnebne spremembe je napovedal, da bo do sredine tega stoletja pri do treh četrtinah hidroenergetskih projektov po vsem svetu prišlo do zmanjšane proizvodnje zaradi podnebnih sprememb v hidrologiji. Države, ki so zelo odvisne od hidroenergije, so občutljive na sušo in v mnogih regijah se bo to tveganje povečalo. Vodna energija na primer zagotavlja skoraj vso elektriko za Zambijo in sušo leta 2016 v južni Afriki je povzročilo zmanjšanje nacionalne proizvodnje električne energije v Zambiji za 40%, kar povzroča ogromne gospodarske motnje in izgube. Ta ranljivost poudarja vrednost raznolikih virov proizvodnje v omrežjih.

Hidroenergija ni vedno sporna, skupne točke je mogoče najti. Medtem ko so naravovarstvene organizacije in hidroenergetski sektor pogosto imeli sporen odnos, je mogoče najti skupno točko. Na primer, v Združenih državah so predstavniki hidroenergetskega sektorja, vključno z Nacionalnim združenjem za hidroelektrarne (NHA), in več naravovarstvenimi organizacijami ustanovili "Neobičajen dialog za hidroelektrarne” (popolno razkritje: v tem dialogu sem predstavljal svojo organizacijo, World Wildlife Fund-US). Udeleženci Uncommon Dialogue so se strinjali, da ima hidroenergija ključno vlogo v prihodnosti trajnostne energije in da morata biti zaščita in obnova rek v ZDA prednostna naloga. Udeleženci Uncommon Dialogue so podprli zakonodajo, ki je skladna s to skupno vizijo, in zakon o infrastrukturi, ki je bil podpisan lani, je vključeval 2.3 milijarde USD za povečanje zmogljivosti hidroelektrarn brez dodajanja novih jezov. (z nadgradnjami in napajanjem jezov brez pogona) in za odstranitev starajočih se jezov za obnovo rek in izboljšanje javne varnosti.