Waterkracht is verreweg de grootste hernieuwbare energiebron ter wereld en produceert meer dan twee keer zoveel energie als windenergie en meer dan vier keer zoveel als zonne-energie. En het oppompen van water tegen een helling, ook wel bekend als "pompwaterkrachtcentrales", beslaat ruim 90% van de totale energieopslagcapaciteit wereldwijd.
Maar ondanks de enorme impact van waterkracht horen we er in de VS weinig over. Terwijl de prijzen van wind- en zonne-energie de afgelopen decennia sterk zijn gedaald en de beschikbaarheid ervan enorm is toegenomen, is de binnenlandse waterkrachtproductie relatief stabiel gebleven, omdat het land al waterkrachtcentrales heeft gebouwd op de geografisch meest ideale locaties.
Internationaal gezien is het een ander verhaal. China heeft zijn economische expansie aangewakkerd door de bouw van duizenden nieuwe, vaak gigantische, waterkrachtcentrales in de afgelopen decennia. Afrika, India en andere landen in Azië en de Stille Oceaan staan op het punt hetzelfde te doen.
Maar uitbreiding zonder strikt milieutoezicht kan tot problemen leiden, omdat dammen en stuwmeren rivierecosystemen en omliggende habitats verstoren, en recente studies aantonen dat stuwmeren meer koolstofdioxide en methaan kunnen uitstoten dan eerder werd aangenomen. Bovendien maakt klimaatgerelateerde droogte waterkracht een minder betrouwbare energiebron, aangezien dammen in het westen van Amerika een aanzienlijk deel van hun elektriciteitsopwekkingscapaciteit hebben verloren.
"In een gemiddeld jaar produceert de Hooverdam ongeveer 4,5 miljard kilowattuur aan energie", aldus Mark Cook, manager van de iconische Hooverdam. "Met de huidige waterstand van het meer ligt dat eerder rond de 3,5 miljard kilowattuur."
Deskundigen zeggen echter dat waterkracht een belangrijke rol speelt in een toekomst die volledig op hernieuwbare energie is gebaseerd, dus het is essentieel om te leren hoe we deze uitdagingen kunnen aanpakken.
Binnenlandse waterkracht
In 2021 was waterkracht goed voor ongeveer 6% van de grootschalige elektriciteitsproductie in de VS en 32% van de hernieuwbare elektriciteitsproductie. In eigen land was het tot 2019 de grootste hernieuwbare energiebron, totdat windenergie het voorbijstreefde.
De VS zullen naar verwachting de komende tien jaar geen grote groei in de waterkrachtsector zien, mede door de omslachtige vergunningsprocedures.
"Het kost tientallen miljoenen dollars en jarenlange inspanning om het vergunningsproces te doorlopen. En sommige van deze installaties, met name de kleinere, hebben dat geld of die tijd gewoon niet", zegt Malcolm Woolf, voorzitter en CEO van de National Hydropower Association. Hij schat dat er tientallen verschillende instanties betrokken zijn bij het verlenen of verlengen van een vergunning voor één enkele waterkrachtcentrale. Het proces duurt volgens hem langer dan het verlenen van een vergunning voor een kerncentrale.
Omdat de gemiddelde waterkrachtcentrale in de VS ouder is dan 60 jaar, zullen veel centrales binnenkort een nieuwe vergunning nodig hebben.
"We zouden dus te maken kunnen krijgen met een golf van inleveringen van vergunningen, wat ironisch is juist nu we proberen de hoeveelheid flexibele, koolstofvrije energieopwekking in dit land op te voeren," aldus Woolf.
Het ministerie van Energie stelt echter dat er potentieel is voor binnenlandse groei, door middel van modernisering van oude centrales en het toevoegen van stroom aan bestaande dammen.
"We hebben 90.000 dammen in dit land, waarvan de meeste zijn gebouwd voor overstromingsbeheersing, irrigatie, wateropslag en recreatie. Slechts 3% van die dammen wordt daadwerkelijk gebruikt voor het opwekken van elektriciteit," aldus Woolf.
De groei in de sector is ook afhankelijk van de uitbreiding van waterkrachtcentrales met pompaccumulatie, die steeds meer terrein winnen als manier om hernieuwbare energiebronnen te stabiliseren door overtollige energie op te slaan voor gebruik wanneer de zon niet schijnt en de wind niet waait.
Wanneer een pompwaterkrachtcentrale elektriciteit opwekt, werkt deze net als een gewone waterkrachtcentrale: water stroomt van het bovenste reservoir naar het onderste, waarbij een turbine wordt aangedreven. Het verschil is dat een pompwaterkrachtcentrale zichzelf kan opladen door elektriciteit van het net te gebruiken om water van onder naar boven naar het hogere reservoir te pompen, waardoor potentiële energie wordt opgeslagen die kan worden vrijgegeven wanneer nodig.
Hoewel pompwaterkrachtcentrales momenteel een elektriciteitsopwekkingscapaciteit van ongeveer 22 gigawatt hebben, zijn er projecten met een capaciteit van meer dan 60 gigawatt in ontwikkeling. Dat is na China het grootste aantal ter wereld.
De afgelopen jaren is het aantal aanvragen voor vergunningen en licenties voor pompwaterkrachtcentrales aanzienlijk toegenomen, en er worden nieuwe technologieën overwogen. Denk hierbij aan "gesloten systemen", waarbij geen van beide reservoirs is aangesloten op een externe waterbron, of kleinere systemen die tanks in plaats van reservoirs gebruiken. Beide methoden zouden waarschijnlijk minder impact hebben op het milieu.
Emissies en droogte
Het afdammen van rivieren of het aanleggen van nieuwe reservoirs kan de vismigratie belemmeren en omliggende ecosystemen en leefgebieden verwoesten. Dammen en reservoirs hebben in de loop der geschiedenis zelfs tientallen miljoenen mensen verdreven, meestal inheemse of plattelandsgemeenschappen.
Deze schadelijke gevolgen zijn algemeen bekend. Maar een nieuwe uitdaging – emissies uit reservoirs – krijgt nu steeds meer aandacht.
"Wat mensen zich niet realiseren, is dat deze reservoirs daadwerkelijk veel kooldioxide en methaan in de atmosfeer uitstoten, en dat zijn beide sterke broeikasgassen", aldus Ilissa Ocko, senior klimaatwetenschapper bij het Environmental Defense Fund.
De emissies zijn afkomstig van rottende vegetatie en ander organisch materiaal, dat afbreekt en methaan vrijgeeft wanneer een gebied onder water wordt gezet om een reservoir te creëren. "Normaal gesproken wordt dat methaan dan omgezet in koolstofdioxide, maar daarvoor is zuurstof nodig. En als het water heel erg warm is, dan is de zuurstof in de onderste lagen uitgeput", aldus Ocko, wat betekent dat methaan vervolgens in de atmosfeer terechtkomt.
Als het gaat om de opwarming van de aarde, is methaan gedurende de eerste 20 jaar na uitstoot meer dan 80 keer zo krachtig als CO2. Onderzoek wijst tot nu toe uit dat warmere delen van de wereld, zoals India en Afrika, doorgaans meer vervuilende fabrieken hebben, terwijl volgens Ocko reservoirs in China en de VS geen bijzondere reden tot bezorgdheid geven. Ocko stelt echter dat er een robuustere manier nodig is om emissies te meten.
"En dan kun je allerlei stimulansen hebben om de uitstoot te verminderen, of regelgeving van verschillende autoriteiten om ervoor te zorgen dat je niet te veel uitstoot," aldus Ocko.
Een ander groot probleem voor waterkrachtcentrales is door het klimaat veroorzaakte droogte. Ondiepe reservoirs produceren minder energie, en dat is met name zorgwekkend in het westen van de Verenigde Staten, waar de droogste periode van 22 jaar in de afgelopen 1200 jaar is aangebroken.
Doordat stuwmeren zoals Lake Powell, dat de Glen Canyon Dam van water voorziet, en Lake Mead, dat de Hoover Dam van water voorziet, minder elektriciteit produceren, nemen fossiele brandstoffen de leemte op. Uit een onderzoek bleek dat tussen 2001 en 2015 in elf westelijke staten 100 miljoen ton extra koolstofdioxide werd uitgestoten als gevolg van de door droogte veroorzaakte verschuiving van waterkracht naar duurzame energiebronnen. Tijdens een bijzonder moeilijke periode voor Californië tussen 2012 en 2016 schatte een ander onderzoek dat het verlies aan waterkrachtproductie de staat $ 2,45 miljard kostte.
Voor het eerst in de geschiedenis is er een watertekort afgekondigd in Lake Mead, wat heeft geleid tot waterbeperkingen in Arizona, Nevada en Mexico. Het waterpeil, dat momenteel op 1047 voet staat, zal naar verwachting verder dalen, omdat het Bureau of Reclamation de ongekende stap heeft genomen om water vast te houden in Lake Powell, stroomopwaarts van Lake Mead, zodat de Glen Canyon Dam stroom kan blijven produceren. Als het waterpeil in Lake Mead onder de 950 voet zakt, zal de dam geen stroom meer opwekken.
De toekomst van waterkracht
Het moderniseren van de bestaande waterkrachtinfrastructuur zou de efficiëntie kunnen verhogen, een deel van de verliezen als gevolg van droogte kunnen compenseren en ervoor zorgen dat de centrales nog vele decennia operationeel kunnen blijven.
Tussen nu en 2030 zal er wereldwijd 127 miljard dollar worden besteed aan de modernisering van oude waterkrachtcentrales. Dat is bijna een kwart van de totale wereldwijde investeringen in waterkracht en bijna 90% van de investeringen in Europa en Noord-Amerika.
Bij de Hoover Dam betekende dit dat sommige turbines werden aangepast om efficiënter te werken op lagere hoogtes, dat er dunnere schuifafsluiters werden geïnstalleerd om de waterstroom naar de turbines te regelen en dat er perslucht in de turbines werd geïnjecteerd om de efficiëntie te verhogen.
Maar in andere delen van de wereld gaat het grootste deel van de investeringen naar nieuwe centrales. Naar verwachting zullen grote, door de staat gefinancierde projecten in Azië en Afrika tot 2030 goed zijn voor meer dan 75% van de nieuwe waterkrachtcapaciteit. Sommigen maken zich echter zorgen over de impact die dergelijke projecten op het milieu zullen hebben.
"Naar mijn bescheiden mening zijn ze overgedimensioneerd. Ze zijn gebouwd met een enorme capaciteit die niet nodig is," aldus Shannon Ames, directeur van het Low Impact Hydropower Institute. "Ze zouden ook als doorstroomwaterkrachtcentrales kunnen worden gebouwd, maar dan met een ander ontwerp."
Waterkrachtcentrales zonder stuwmeer hebben geen reservoir en daardoor een kleinere impact op het milieu, maar ze kunnen geen energie op afroep opwekken, omdat de productie afhankelijk is van de seizoensgebonden waterstanden. Naar verwachting zal waterkrachtcentrales zonder stuwmeer ongeveer 13% van de totale capaciteitsuitbreidingen in dit decennium voor hun rekening nemen, terwijl traditionele waterkrachtcentrales 56% en pompwaterkrachtcentrales 29% zullen uitmaken.
Over het algemeen vertraagt de groei van waterkrachtcentrales echter en zal deze naar verwachting met ongeveer 23% krimpen tot 2030. Het keren van deze trend zal grotendeels afhangen van het stroomlijnen van de regelgeving en vergunningsprocedures, en het vaststellen van hoge duurzaamheidsnormen en emissiemeetprogramma's om acceptatie door de gemeenschap te garanderen. Een kortere ontwikkeltijd zou ontwikkelaars helpen bij het verkrijgen van stroomafnameovereenkomsten, waardoor investeringen worden gestimuleerd omdat het rendement gegarandeerd is.
"Een van de redenen waarom het soms minder aantrekkelijk lijkt dan zonne- en windenergie, is dat de tijdshorizon voor de installaties anders is. Een wind- en zonne-energiecentrale wordt bijvoorbeeld doorgaans gezien als een project van 20 jaar", aldus Ames. "Waterkrachtcentrales daarentegen hebben een vergunning en zijn 50 jaar in bedrijf. Veel ervan draaien zelfs al 100 jaar... Maar onze kapitaalmarkten waarderen zo'n langere terugverdientijd niet per se."
Het vinden van de juiste stimulansen voor de ontwikkeling van waterkrachtcentrales en pompcentrales, en ervoor zorgen dat dit op een duurzame manier gebeurt, is cruciaal om de wereld van fossiele brandstoffen af te helpen, aldus Woolf.
“We halen niet dezelfde krantenkoppen als sommige andere technologieën. Maar ik denk dat mensen zich steeds meer realiseren dat je geen betrouwbaar elektriciteitsnet kunt hebben zonder waterkracht.”
Geplaatst op: 14 juli 2022
