Гидроэнергетика, безусловно, является крупнейшим возобновляемым источником энергии в мире, производя более чем в два раза больше энергии, чем ветер, и более чем в четыре раза больше, чем солнце. А перекачивание воды на холм, также известное как «гидроаккумулирующая гидроэнергетика», составляет более 90% от общей мощности хранения энергии в мире.
Но, несмотря на колоссальное влияние гидроэнергетики, в США о ней мало что слышно. Хотя за последние несколько десятилетий цены на ветровую и солнечную энергию резко упали, а ее доступность резко возросла, внутренняя гидрогенерация остается относительно стабильной, поскольку страна уже построила гидроэлектростанции в самых идеальных с географической точки зрения местах.
На международном уровне это другая история. Китай подпитывал свою экономическую экспансию, строя тысячи новых, часто огромных, гидроэлектростанций за последние несколько десятилетий. Африка, Индия и другие страны Азии и Тихого океана собираются сделать то же самое.
Но расширение без строгого экологического надзора может привести к проблемам, поскольку плотины и водохранилища нарушают речные экосистемы и окружающую среду обитания, а недавние исследования показывают, что водохранилища могут выделять больше углекислого газа и метана, чем считалось ранее. Плюс, вызванная климатом засуха делает гидроэнергетику менее надежным источником энергии, поскольку плотины на американском Западе потеряли значительную часть своей мощности по производству электроэнергии.
«В типичный год плотина Гувера будет вырабатывать около 4,5 млрд киловатт-часов энергии», — сказал Марк Кук, управляющий знаменитой плотиной Гувера. «С учетом того, в каком состоянии находится озеро сейчас, это скорее 3,5 млрд киловатт-часов».
Тем не менее, эксперты утверждают, что гидроэнергетика сыграет важную роль в будущем, полностью основанном на возобновляемых источниках энергии, поэтому необходимо научиться смягчать эти проблемы.
Внутренняя гидроэнергетика
В 2021 году гидроэнергетика составила около 6% от общего объема производства электроэнергии в коммунальном секторе США и 32% от объема производства электроэнергии из возобновляемых источников. Внутри страны она была крупнейшим возобновляемым источником энергии до 2019 года, когда ее превзошел ветер.
Ожидается, что в США в ближайшее десятилетие не будет большого роста гидроэнергетики, отчасти из-за обременительного процесса лицензирования и получения разрешений.
«Прохождение процесса лицензирования стоит десятки миллионов долларов и годы усилий. А для некоторых из этих объектов, особенно для некоторых небольших объектов, просто нет ни денег, ни времени», — говорит Малкольм Вульф, президент и генеральный директор Национальной ассоциации гидроэнергетики. По его оценкам, в лицензировании или повторном лицензировании одного гидроэнергетического объекта участвуют десятки различных агентств. По его словам, этот процесс занимает больше времени, чем лицензирование атомной электростанции.
Поскольку средний возраст гидроэлектростанций в США превышает 60 лет, многим из них вскоре придется получать повторную лицензию.
«Таким образом, нам, возможно, придется столкнуться с массой отказов от лицензий, что весьма иронично, как раз в тот момент, когда мы пытаемся нарастить объемы гибкой генерации без выбросов углерода в нашей стране», — сказал Вульф.
Однако Министерство энергетики утверждает, что существует потенциал для внутреннего роста за счет модернизации старых электростанций и увеличения мощности существующих плотин.
«У нас в стране 90 000 плотин, большинство из которых были построены для борьбы с наводнениями, для орошения, для хранения воды, для отдыха. Только 3% этих плотин фактически используются для выработки электроэнергии», — сказал Вульф.
Рост в этом секторе также зависит от расширения гидроаккумулирующей энергетики, которая набирает популярность как способ «укрепить» возобновляемые источники энергии, сохраняя избыточную энергию для использования, когда солнце не светит и ветер не дует.
Когда гидроаккумулирующая станция вырабатывает электроэнергию, она работает так же, как и обычная гидроэлектростанция: вода течет из верхнего резервуара в нижний, вращая по пути турбину, вырабатывающую электроэнергию. Разница в том, что гидроаккумулирующая станция может перезаряжаться, используя энергию из сети для перекачивания воды снизу в верхний резервуар, тем самым сохраняя потенциальную энергию, которая может быть высвобождена при необходимости.
В то время как гидроаккумулирующие электростанции сегодня имеют около 22 гигаватт генерирующей мощности, в стадии разработки находится более 60 гигаватт предлагаемых проектов. Это второй показатель после Китая.
В последние годы количество разрешений и заявок на лицензирование для систем гидроаккумулирования значительно возросло, и рассматриваются новые технологии. К ним относятся объекты «замкнутого цикла», в которых ни один резервуар не подключен к внешнему источнику воды, или меньшие объекты, в которых вместо резервуаров используются баки. Оба метода, вероятно, будут менее разрушительными для окружающей среды.
Выбросы и засуха
Строительство плотин на реках или создание новых водохранилищ может затруднить миграцию рыб и разрушить окружающие экосистемы и места обитания. Плотины и водохранилища даже стали причиной перемещения десятков миллионов людей на протяжении всей истории, обычно коренных или сельских общин.
Этот вред широко признан. Но новая проблема — выбросы из водохранилищ — теперь привлекает все большее внимание.
«Люди не осознают, что эти резервуары на самом деле выбрасывают в атмосферу большое количество углекислого газа и метана, которые являются сильными парниковыми газами», — сказала Илисса Око, старший климатолог Фонда защиты окружающей среды.
Выбросы происходят из-за разложения растительности и других органических веществ, которые распадаются и выделяют метан, когда территория затапливается, чтобы создать резервуар. «Обычно этот метан затем превращается в углекислый газ, но для этого нужен кислород. И если вода очень, очень теплая, то нижние слои истощаются от кислорода», — сказал Окко, имея в виду, что метан затем выбрасывается в атмосферу.
Когда дело доходит до потепления мира, метан более чем в 80 раз сильнее CO2 в течение первых 20 лет после его выброса. Пока что исследования показывают, что в более жарких частях мира, таких как Индия и Африка, как правило, больше загрязняющих растений, в то время как Окко говорит, что водохранилища в Китае и США не вызывают особой озабоченности. Но Окко говорит, что должен быть более надежный способ измерения выбросов.
«И тогда у вас могут быть всевозможные стимулы для сокращения выбросов или правила со стороны различных органов, чтобы убедиться, что вы не выбрасываете слишком много», — сказал Око.
Еще одной серьезной проблемой для гидроэнергетики является засуха, вызванная климатом. Мелкие водохранилища производят меньше энергии, и это вызывает особую озабоченность на американском Западе, где был самый сухой 22-летний период за последние 1200 лет.
Поскольку такие водохранилища, как озеро Пауэлл, которое питает плотину Глен-Каньон, и озеро Мид, которое питает плотину Гувера, производят меньше электроэнергии, ископаемое топливо забирает эту нишу. Одно исследование показало, что с 2001 по 2015 год в 11 западных штатах было выброшено дополнительно 100 миллионов тонн углекислого газа из-за вызванного засухой перехода от гидроэнергетики. Во время особенно тяжелого периода для Калифорнии между 2012 и 2016 годами другое исследование подсчитало, что потеря генерации гидроэлектроэнергии обошлась штату в 2,45 миллиарда долларов.
Впервые в истории в озере Мид объявлен дефицит воды, что привело к сокращению распределения воды в Аризоне, Неваде и Мексике. Уровень воды, который в настоящее время составляет 1047 футов, как ожидается, упадет еще больше, поскольку Бюро мелиорации предприняло беспрецедентный шаг по сдерживанию воды в озере Пауэлл, расположенном выше по течению озера Мид, чтобы плотина Глен-Каньон могла продолжать вырабатывать электроэнергию. Если уровень озера Мид опустится ниже 950 футов, оно больше не будет вырабатывать электроэнергию.
Будущее гидроэнергетики
Модернизация существующей гидроэнергетической инфраструктуры могла бы повысить эффективность и компенсировать некоторые потери, связанные с засухой, а также гарантировать, что электростанции смогут работать в течение многих десятилетий.
В период с настоящего момента по 2030 год на модернизацию старых установок по всему миру будет потрачено $127 млрд. Это составляет почти четверть от общего объема инвестиций в гидроэнергетику в мире и почти 90% инвестиций в Европу и Северную Америку.
На плотине Гувера это означало модернизацию некоторых турбин для более эффективной работы на более низких высотах, установку более тонких направляющих затворов, которые контролируют поток воды в турбины, и подачу сжатого воздуха в турбины для повышения эффективности.
Но в других частях мира большая часть инвестиций идет на новые заводы. Ожидается, что крупные государственные проекты в Азии и Африке составят более 75% новых мощностей гидроэнергетики до 2030 года. Но некоторые беспокоятся о влиянии таких проектов на окружающую среду.
«По моему скромному мнению, они перегружены. Они построены с огромной мощностью, которая не нужна», — сказал Шеннон Эймс, исполнительный директор Института гидроэнергетики с низким воздействием. «Их можно было бы сделать русловыми, и их можно было бы просто спроектировать по-другому».
Русловые гидроэлектростанции не включают водохранилище и, таким образом, оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, но они не могут генерировать энергию по требованию, поскольку выработка зависит от сезонных потоков. Ожидается, что русловые гидроэлектростанции составят около 13% от общего прироста мощности в этом десятилетии, в то время как традиционная гидроэнергетика составит 56%, а насосная гидроэнергетика — 29%.
Но в целом рост гидроэнергетики замедляется и должен сократиться примерно на 23% к 2030 году.. Обращение этой тенденции в значительной степени будет зависеть от оптимизации нормативных и разрешительных процессов, а также установления высоких стандартов устойчивости и программ измерения выбросов для обеспечения принятия сообществом. Более короткие сроки разработки помогут разработчикам получать соглашения о покупке электроэнергии, тем самым стимулируя инвестиции, поскольку возврат будет гарантирован.
«Часть причины, по которой это иногда не выглядит столь же привлекательно, как солнечная и ветровая энергетика, заключается в том, что горизонт для объектов отличается. Например, ветровая и солнечная электростанция обычно рассматривается как 20-летний проект», — сказал Эймс. «С другой стороны, гидроэнергетика лицензируется и работает в течение 50 лет. И многие из них работают уже 100 лет… Но наши рынки капитала не обязательно оценят такую более длительную окупаемость».
По словам Вульфа, поиск правильных стимулов для развития гидроэнергетики и гидроаккумулирования, а также обеспечение того, чтобы это происходило на устойчивой основе, будут иметь решающее значение для отказа мира от ископаемого топлива.
«Мы не получаем заголовков, которые получают некоторые другие технологии. Но я думаю, люди все больше понимают, что без гидроэнергетики не может быть надежной сети».
Время публикации: 14 июля 2022 г.
