Гидроэнергетика является, безусловно, крупнейшим возобновляемым источником энергии в мире, производя более чем в два раза больше энергии, чем ветер, и более чем в четыре раза больше, чем солнечная энергия. А перекачка воды на холм, или «гидроаккумулирующая электростанция», составляет более 90% от общей мировой емкости хранения энергии.
Но, несмотря на огромное влияние гидроэнергетики, в США о ней мало говорят. В то время как за последние несколько десятилетий цены на ветровую и солнечную энергию резко упали, а их доступность взлетела до небес, производство гидроэнергии внутри страны оставалось относительно стабильным, поскольку в стране уже построены гидроэлектростанции в наиболее географически идеальных местах.
На международном уровне ситуация иная. Китай подпитывал свой экономический рост, построив за последние несколько десятилетий тысячи новых, зачастую огромных, гидроэлектростанций. Африка, Индия и другие страны Азии и Тихоокеанского региона собираются сделать то же самое.
Однако расширение производства без строгого экологического контроля может привести к проблемам, поскольку плотины и водохранилища нарушают речные экосистемы и окружающую среду, а недавние исследования показывают, что водохранилища могут выбрасывать больше углекислого газа и метана, чем считалось ранее. Кроме того, вызванная изменением климата засуха делает гидроэнергетику менее надежным источником энергии, поскольку плотины на западе Америки потеряли значительную часть своей мощности по выработке электроэнергии.
«В обычный год плотина Гувера вырабатывает около 4,5 миллиардов киловатт-часов энергии, — сказал Марк Кук, управляющий знаменитой плотиной Гувера. — С учетом нынешнего состояния озера, это скорее около 3,5 миллиардов киловатт-часов».
Однако эксперты утверждают, что гидроэнергетика сыграет важную роль в будущем, полностью основанном на возобновляемых источниках энергии, поэтому крайне важно научиться смягчать эти проблемы.
Внутренняя гидроэнергетика
В 2021 году на гидроэнергетику приходилось около 6% крупномасштабной выработки электроэнергии в США и 32% выработки электроэнергии из возобновляемых источников. На внутреннем рынке она занимала первое место среди возобновляемых источников энергии до 2019 года, когда её обогнала ветровая энергетика.
В ближайшие десять лет в США не ожидается значительного роста гидроэнергетики, отчасти из-за обременительной процедуры лицензирования и получения разрешений.
«Процесс лицензирования обходится в десятки миллионов долларов и занимает годы. А у некоторых объектов, особенно у небольших, просто нет ни денег, ни времени», — говорит Малкольм Вулф, президент и генеральный директор Национальной ассоциации гидроэнергетики. Он подсчитал, что в процессе лицензирования или перелицензирования одной гидроэлектростанции участвуют десятки различных ведомств. 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 потребуется перелицензирование.
«Таким образом, мы можем столкнуться с целым рядом случаев отказа от лицензий, что иронично именно в тот момент, когда мы пытаемся нарастить объемы гибкой, безуглеродной генерации в нашей стране», — сказал Вулф.
Однако Министерство энергетики заявляет о наличии потенциала для внутреннего роста за счет модернизации старых электростанций и увеличения мощности существующих плотин.
«В нашей стране 90 000 плотин, большинство из которых были построены для борьбы с наводнениями, орошения, хранения воды и отдыха. Только 3% из этих плотин фактически используются для выработки электроэнергии», — сказал Вулф.
Рост в этом секторе также зависит от расширения использования гидроаккумулирующих электростанций, которые набирают популярность как способ «стабилизации» возобновляемых источников энергии, позволяющий накапливать избыточную энергию для использования в периоды засухи и отсутствия солнечного света.
Когда гидроаккумулирующая электростанция вырабатывает электроэнергию, она работает так же, как и обычная гидроэлектростанция: вода течет из верхнего водохранилища в нижнее, вращая по пути турбину, вырабатывающую электроэнергию. Разница заключается в том, что гидроаккумулирующая электростанция может подзаряжаться, используя электроэнергию из сети для перекачки воды снизу вверх в верхнее водохранилище, тем самым накапливая потенциальную энергию, которая может быть высвобождена при необходимости.
В настоящее время гидроаккумулирующие электростанции обладают мощностью около 22 гигаватт, а в стадии разработки находятся проекты общей мощностью более 60 гигаватт. По этому показателю Китай занимает второе место.
В последние годы значительно увеличилось количество заявок на получение разрешений и лицензий для гидроаккумулирующих электростанций, и рассматриваются новые технологии. К ним относятся «замкнутые» установки, в которых ни один из резервуаров не подключен к внешнему источнику воды, или более мелкие установки, использующие резервуары вместо водохранилищ. Оба метода, вероятно, будут менее вредны для окружающей среды.
Выбросы и засуха
Строительство плотин на реках или создание новых водохранилищ может препятствовать миграции рыб и разрушать окружающие экосистемы и места обитания. Плотины и водохранилища даже приводили к перемещению десятков миллионов людей на протяжении истории, как правило, коренных или сельских общин.
Эти негативные последствия общепризнаны. Но новая проблема — выбросы из водохранилищ — сейчас привлекает все больше внимания.
«Люди не осознают, что эти водохранилища на самом деле выбрасывают в атмосферу большое количество углекислого газа и метана, которые являются сильными парниковыми газами», — сказала Илисса Очко, старший научный сотрудник по вопросам климата в Фонде защиты окружающей среды.
Выбросы происходят из-за разложения растительности и других органических веществ, которые распадаются и выделяют метан при затоплении территории для образования водохранилища. «Обычно этот метан затем превращается в углекислый газ, но для этого необходим кислород. А если вода очень, очень теплая, то в нижних слоях воды заканчивается кислород», — сказал Око, имея в виду, что метан затем выбрасывается в атмосферу.
Что касается глобального потепления, метан более чем в 80 раз мощнее CO2 в течение первых 20 лет после выброса. На данный момент исследования показывают, что в более жарких регионах мира, таких как Индия и Африка, как правило, больше загрязняющих окружающую среду предприятий, в то время как, по словам Око, водохранилища в Китае и США не вызывают особой обеспокоенности. Но Око утверждает, что необходим более надежный способ измерения выбросов.
«А затем могут быть всевозможные стимулы для сокращения выбросов или нормативные акты различных органов власти, чтобы гарантировать, что вы не выбрасываете слишком много», — сказал Око.
Еще одна серьезная проблема для гидроэнергетики — засуха, вызванная изменением климата. Неглубокие водохранилища производят меньше электроэнергии, и это особенно актуально для американского Запада, где за последние 1200 лет наблюдался самый засушливый 22-летний период.
Поскольку водохранилища, такие как озеро Пауэлл, питающее плотину Глен-Каньон, и озеро Мид, питающее плотину Гувера, производят меньше электроэнергии, ископаемое топливо компенсирует этот дефицит. Одно исследование показало, что с 2001 по 2015 год в 11 штатах на западе страны было выброшено дополнительно 100 миллионов тонн углекислого газа из-за вызванного засухой перехода от гидроэнергетики к возобновляемым источникам энергии. Другое исследование подсчитало, что в особенно сложный период для Калифорнии в 2012-2016 годах потери от недополученной гидроэнергии обошлись штату в 2,45 миллиарда долларов.
Впервые в истории объявлен дефицит воды в озере Мид, что привело к сокращению водопотреблений в Аризоне, Неваде и Мексике. Ожидается, что уровень воды, в настоящее время составляющий 1047 футов, продолжит падать, поскольку Бюро мелиорации предприняло беспрецедентный шаг, задержав воду в озере Пауэлл, расположенном выше по течению от озера Мид, чтобы плотина Глен-Каньон могла продолжать вырабатывать электроэнергию. Если уровень воды в озере Мид опустится ниже 950 футов, оно перестанет вырабатывать электроэнергию.
Будущее гидроэнергетики
Модернизация существующей гидроэнергетической инфраструктуры может повысить эффективность и компенсировать часть потерь, связанных с засухой, а также обеспечить бесперебойную работу электростанций на протяжении многих десятилетий.
В период с настоящего момента до 2030 года на модернизацию устаревших электростанций по всему миру будет потрачено 127 миллиардов долларов. Это составляет почти четверть от общего объема мировых инвестиций в гидроэнергетику и почти 90% инвестиций в Европе и Северной Америке.
На плотине Гувера это означало модернизацию некоторых турбин для повышения их эффективности при работе на более низких высотах, установку более тонких затворов, регулирующих поток воды в турбины, и впрыскивание сжатого воздуха в турбины для повышения эффективности.
Однако в других частях мира большая часть инвестиций направляется на строительство новых электростанций. Ожидается, что крупные государственные проекты в Азии и Африке обеспечат более 75% новых гидроэнергетических мощностей к 2030 году. Но некоторые опасаются воздействия таких проектов на окружающую среду.
«По моему скромному мнению, они построены с избытком мощности. Их строят с чрезмерной мощностью, которая не является необходимой», — сказала Шеннон Эймс, исполнительный директор Института низкозатратной гидроэнергетики. — «Их можно было бы построить как проточные, и их конструкция могла бы быть другой».
Гидроэлектростанции руслового типа не имеют водохранилища и, следовательно, оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, но они не могут вырабатывать энергию по требованию, поскольку выработка зависит от сезонных потоков. Ожидается, что на гидроэнергетику руслового типа придется около 13% от общего объема введенных в эксплуатацию мощностей в этом десятилетии, в то время как на традиционную гидроэнергетику придется 56%, а на гидроаккумулирующие электростанции — 29%.
Однако в целом темпы роста гидроэнергетики замедляются и, по прогнозам, сократятся примерно на 23% к 2030 году. Изменение этой тенденции во многом будет зависеть от упрощения процессов регулирования и выдачи разрешений, а также от установления высоких стандартов устойчивого развития и программ измерения выбросов для обеспечения принятия со стороны местного сообщества. Более короткие сроки реализации проектов помогут разработчикам заключать договоры купли-продажи электроэнергии, тем самым стимулируя инвестиции, поскольку прибыль будет гарантирована.
«Отчасти причина того, что ветровая и солнечная энергетика иногда кажутся менее привлекательными, чем солнечная и ветровая, заключается в разной перспективе эксплуатации этих объектов. Например, ветряная и солнечная электростанции обычно рассматриваются как 20-летние проекты, — сказал Эймс. — С другой стороны, гидроэнергетика лицензируется и работает 50 лет. А многие из них работают уже 100 лет… Но наши рынки капитала не всегда ценят такую долгосрочную окупаемость».
По словам Вулфа, поиск правильных стимулов для развития гидроэнергетики и гидроаккумулирующих электростанций, а также обеспечение устойчивого развития этих технологий будут иметь решающее значение для отказа мира от ископаемого топлива.
«Мы не получаем таких же громких заголовков, как некоторые другие технологии. Но я думаю, что люди все больше понимают, что без гидроэнергетики невозможно создать надежную энергосеть».
Дата публикации: 14 июля 2022 г.
