Energia wodna jest zdecydowanie największą odnawialną energią na świecie, wytwarzając ponad dwa razy więcej energii niż energia wiatrowa i ponad cztery razy więcej niż energia słoneczna. A pompowanie wody pod górę, czyli „pompowanie wody”, stanowi ponad 90% całkowitej światowej pojemności magazynowania energii.
Mimo ogromnego wpływu energetyki wodnej, w USA niewiele się o niej słyszy. Podczas gdy w ciągu ostatnich kilku dekad ceny energii wiatrowej i słonecznej gwałtownie spadły, a jej dostępność gwałtownie wzrosła, krajowa produkcja energii wodnej pozostała na względnie stabilnym poziomie, ponieważ w kraju wybudowano już elektrownie wodne w najbardziej idealnych lokalizacjach geograficznych.
Na arenie międzynarodowej sytuacja wygląda inaczej. Chiny napędzały swoją ekspansję gospodarczą, budując w ciągu ostatnich kilku dekad tysiące nowych, często ogromnych, zapór wodnych. Afryka, Indie i inne kraje Azji i Pacyfiku szykują się do tego samego.
Jednak ekspansja bez ścisłego nadzoru środowiskowego może prowadzić do problemów, ponieważ tamy i zbiorniki retencyjne niszczą ekosystemy rzeczne i otaczające je siedliska, a najnowsze badania pokazują, że zbiorniki retencyjne mogą emitować więcej dwutlenku węgla i metanu, niż wcześniej sądzono. Ponadto susza spowodowana zmianami klimatu sprawia, że energia wodna staje się mniej niezawodnym źródłem energii, ponieważ tamy na amerykańskim Zachodzie straciły znaczną część swojej mocy wytwórczej.
„W ciągu typowego roku Zapora Hoovera generuje około 4,5 miliarda kilowatogodzin energii” – powiedział Mark Cook, kierownik kultowej Zapory Hoovera. „W obecnym stanie jeziora jest to raczej około 3,5 miliarda kilowatogodzin”.
Jednak eksperci twierdzą, że energia wodna może odegrać dużą rolę w stuprocentowo odnawialnej przyszłości, dlatego konieczne jest nauczenie się, jak łagodzić te wyzwania.
Energia wodna krajowa
W 2021 roku energia wodna stanowiła około 6% produkcji energii elektrycznej na skalę przemysłową w USA i 32% produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. W USA była to największa energia odnawialna do 2019 roku, kiedy to została wyprzedzona przez energię wiatrową.
Nie przewiduje się, aby w nadchodzącym dziesięcioleciu w USA nastąpił znaczny rozwój energetyki wodnej, częściowo ze względu na uciążliwy proces wydawania licencji i pozwoleń.
„Proces licencjonowania kosztuje dziesiątki milionów dolarów i lata pracy. A niektóre z tych obiektów, zwłaszcza te mniejsze, po prostu nie mają na to pieniędzy ani czasu” – mówi Malcolm Woolf, prezes i dyrektor generalny National Hydropower Association. Szacuje on, że w licencjonowanie lub ponowne licencjonowanie pojedynczej elektrowni wodnej zaangażowane są dziesiątki różnych agencji. Dodał, że proces ten trwa dłużej niż licencjonowanie elektrowni jądrowej.
Ponieważ przeciętna elektrownia wodna w USA ma ponad 60 lat, wiele z nich wkrótce będzie musiało uzyskać nowe zezwolenia.
„Możemy więc stanąć w obliczu fali oddawania licencji, co jest ironią losu akurat w momencie, gdy staramy się zwiększyć ilość elastycznej, bezemisyjnej produkcji energii w tym kraju” – powiedział Woolf.
Jednak Departament Energii twierdzi, że istnieje potencjał wzrostu krajowego dzięki modernizacji starych elektrowni i dodaniu energii do istniejących zapór.
„W tym kraju mamy 90 000 tam, z których większość została zbudowana w celu kontroli powodzi, nawadniania, magazynowania wody i rekreacji. Tylko 3% z tych tam jest faktycznie wykorzystywanych do wytwarzania energii” – powiedział Woolf.
Wzrost w tym sektorze opiera się również na rozbudowie elektrowni szczytowo-pompowych, które zyskują na popularności jako sposób na „wzmocnienie” odnawialnych źródeł energii poprzez magazynowanie nadwyżek energii do wykorzystania, gdy nie świeci słońce i nie wieje wiatr.
Kiedy elektrownia szczytowo-pompowa wytwarza energię, działa tak samo jak zwykła elektrownia wodna: woda przepływa z górnego zbiornika do dolnego, obracając po drodze turbinę wytwarzającą energię elektryczną. Różnica polega na tym, że elektrownia szczytowo-pompowa może się ładować, wykorzystując energię z sieci do pompowania wody z dołu do górnego zbiornika, magazynując w ten sposób energię potencjalną, która może być uwalniana w razie potrzeby.
Chociaż elektrownie szczytowo-pompowe generują obecnie około 22 gigawatów energii elektrycznej, w przygotowaniu jest ponad 60 gigawatów projektów. To drugi wynik po Chinach.
W ostatnich latach liczba wniosków o pozwolenia i licencje dla systemów magazynowania szczytowo-pompowego znacznie wzrosła, a nowe technologie są rozważane. Należą do nich obiekty o obiegu zamkniętym, w których żaden zbiornik nie jest podłączony do zewnętrznego źródła wody, lub mniejsze obiekty wykorzystujące zbiorniki zamiast zbiorników. Obie metody prawdopodobnie byłyby mniej uciążliwe dla otaczającego środowiska.
Emisje i susza
Budowa tam i zbiorników wodnych może utrudniać migrację ryb i niszczyć okoliczne ekosystemy i siedliska. W przeszłości tamy i zbiorniki wodne doprowadziły do przesiedlenia dziesiątek milionów ludzi, zazwyczaj rdzennych mieszkańców lub społeczności wiejskich.
Szkody te są powszechnie znane. Jednak nowe wyzwanie – emisje ze zbiorników – zyskuje coraz większą uwagę.
„Ludzie nie zdają sobie sprawy, że te zbiorniki emitują do atmosfery duże ilości dwutlenku węgla i metanu, a oba te gazy są silnymi gazami cieplarnianymi” – powiedziała Ilissa Ocko, starsza specjalistka ds. klimatu w Environmental Defense Fund.
Emisje pochodzą z rozkładającej się roślinności i innej materii organicznej, które rozkładają się i uwalniają metan, gdy dany obszar jest zalewany, tworząc zbiornik. „Zwykle metan przekształca się następnie w dwutlenek węgla, ale do tego potrzebny jest tlen. A jeśli woda jest naprawdę, naprawdę ciepła, to przydenne warstwy są pozbawione tlenu” – powiedział Ocko, mając na myśli, że metan jest następnie uwalniany do atmosfery.
Jeśli chodzi o ocieplenie świata, metan jest ponad 80 razy bardziej szkodliwy niż CO2 przez pierwsze 20 lat po jego uwolnieniu. Jak dotąd badania pokazują, że cieplejsze rejony świata, takie jak Indie i Afryka, mają tendencję do występowania większej liczby zanieczyszczających roślin, podczas gdy Ocko twierdzi, że złoża w Chinach i USA nie budzą szczególnych obaw. Ocko twierdzi jednak, że potrzebny jest bardziej wiarygodny sposób pomiaru emisji.
„Wtedy można by wprowadzić wszelkiego rodzaju zachęty, by ograniczyć emisję, lub wprowadzić regulacje ze strony różnych organów, by mieć pewność, że nie emituje się zbyt dużo” – powiedział Ocko.
Kolejnym poważnym problemem dla energetyki wodnej jest susza spowodowana zmianami klimatu. Płytkie zbiorniki wodne produkują mniej energii, co jest szczególnie niepokojące na Zachodzie Stanów Zjednoczonych, gdzie od 22 lat panuje najsuchsza pogoda w ciągu ostatnich 1200 lat.
Ponieważ zbiorniki takie jak Jezioro Powella, które zasila zaporę Glen Canyon, i Jezioro Mead, które zasila zaporę Hoovera, produkują mniej energii elektrycznej, paliwa kopalne przejmują rolę. Jedno z badań wykazało, że w latach 2001-2015 w 11 stanach na zachodzie USA wyemitowano dodatkowe 100 milionów ton dwutlenku węgla z powodu spowodowanego suszą odejścia od energetyki wodnej. W szczególnie trudnym okresie dla Kalifornii w latach 2012-2016, inne badanie oszacowało, że utracone zyski z produkcji energii wodnej kosztowały stan 2,45 miliarda dolarów.
Po raz pierwszy w historii ogłoszono niedobór wody w jeziorze Mead, co spowodowało cięcia w dostawach wody w Arizonie, Nevadzie i Meksyku. Oczekuje się, że poziom wody, obecnie wynoszący 1047 stóp (314 m), spadnie jeszcze bardziej, ponieważ Biuro Rekultywacji podjęło bezprecedensowy krok, wstrzymując wodę w jeziorze Powell, położonym powyżej jeziora Mead, aby zapora Glen Canyon mogła nadal wytwarzać energię. Jeśli poziom wody w jeziorze Mead spadnie poniżej 950 stóp (298 m), przestanie ono wytwarzać energię.
Przyszłość energetyki wodnej
Modernizacja istniejącej infrastruktury hydroenergetycznej może zwiększyć wydajność i zrekompensować część strat spowodowanych suszą, a także zapewnić, że elektrownie będą mogły działać przez wiele kolejnych dziesięcioleci.
Do 2030 roku na całym świecie na modernizację starych elektrowni zostanie przeznaczonych 127 miliardów dolarów. Stanowi to prawie jedną czwartą całkowitych światowych inwestycji w energetykę wodną i prawie 90% inwestycji w Europie i Ameryce Północnej.
W przypadku Zapory Hoovera oznaczało to modernizację niektórych turbin, tak aby działały wydajniej na niższych wysokościach, zainstalowanie cieńszych zasuw, które kontrolują przepływ wody do turbin, a także wtryskiwanie sprężonego powietrza do turbin w celu zwiększenia wydajności.
Jednak w innych częściach świata większość inwestycji jest przeznaczana na nowe elektrownie. Oczekuje się, że duże, państwowe projekty w Azji i Afryce będą stanowić ponad 75% nowej mocy hydroenergetycznej do 2030 roku. Niektórzy jednak obawiają się wpływu, jaki takie projekty będą miały na środowisko.
„Moim skromnym zdaniem są przesadzone. Budowane z myślą o ogromnej wydajności, która nie jest konieczna” – powiedziała Shannon Ames, dyrektor wykonawcza Low Impact Hydropower Institute. „Można by je zbudować jako przepływowe, a po prostu zaprojektować inaczej”.
Elektrownie przepływowe nie posiadają zbiornika retencyjnego, a zatem mają mniejszy wpływ na środowisko, ale nie mogą wytwarzać energii na żądanie, ponieważ produkcja zależy od sezonowych przepływów. Przewiduje się, że elektrownie wodne przepływowe będą stanowić około 13% całkowitego przyrostu mocy w tej dekadzie, podczas gdy tradycyjna energia wodna będzie stanowić 56%, a elektrownie szczytowo-pompowe 29%.
Jednak ogólnie rzecz biorąc, wzrost energetyki wodnej zwalnia i ma spaść o około 23% do 2030 roku. Odwrócenie tego trendu będzie w dużej mierze zależało od usprawnienia procesów regulacyjnych i wydawania pozwoleń oraz ustanowienia wysokich standardów zrównoważonego rozwoju i programów pomiaru emisji, aby zapewnić akceptację społeczną. Krótszy harmonogram realizacji inwestycji pomógłby deweloperom w uzyskaniu umów zakupu energii elektrycznej, co z kolei zachęcałoby do inwestycji, ponieważ gwarantowałoby zwroty.
„Częściowo powodem, dla którego czasami nie wygląda to tak atrakcyjnie jak energia słoneczna i wiatrowa, jest inny horyzont inwestycyjny. Na przykład, elektrownia wiatrowa i słoneczna jest zazwyczaj postrzegana jako projekt na 20 lat” – powiedział Ames. „Z drugiej strony, elektrownie wodne są licencjonowane i działają przez 50 lat. A wiele z nich działa już od 100 lat… Ale nasze rynki kapitałowe niekoniecznie doceniają tak długi zwrot z inwestycji”.
Woolf uważa, że znalezienie odpowiednich zachęt dla rozwoju energetyki wodnej i elektrowni szczytowo-pompowych oraz zadbanie o to, by odbywało się to w sposób zrównoważony, będzie miało kluczowe znaczenie dla odejścia świata od paliw kopalnych.
„Nie jesteśmy tak popularni w mediach, jak niektóre inne technologie. Myślę jednak, że ludzie coraz bardziej zdają sobie sprawę, że nie ma niezawodnej sieci bez energii wodnej”.
Czas publikacji: 14 lipca 2022 r.
