เหตุใดพลังงานน้ำจึงเป็นพลังงานสะอาดยักษ์ใหญ่ที่ถูกลืม

พลังงานน้ำเป็นพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่ที่สุดในโลก ผลิตพลังงานได้มากกว่าพลังงานลมถึงสองเท่า และมากกว่าพลังงานแสงอาทิตย์ถึงสี่เท่า และการสูบน้ำขึ้นเนินซึ่งเรียกกันว่า “พลังงานน้ำแบบสูบเก็บกัก” คิดเป็นกว่า 90% ของความจุในการกักเก็บพลังงานทั้งหมดของโลก
แม้พลังงานน้ำจะส่งผลกระทบมหาศาล แต่เรากลับไม่ได้ยินข่าวเกี่ยวกับพลังงานชนิดนี้มากนักในสหรัฐฯ แม้ว่าในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ราคาพลังงานลมและแสงอาทิตย์ลดลงอย่างรวดเร็ว แต่การผลิตพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำในประเทศยังคงค่อนข้างคงที่ เนื่องจากประเทศได้สร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำในสถานที่ที่เหมาะสมทางภูมิศาสตร์มากที่สุดแล้ว
ในระดับนานาชาติ เรื่องนี้เป็นอีกเรื่องหนึ่ง จีนได้กระตุ้นการขยายตัวทางเศรษฐกิจด้วยการสร้างเขื่อนผลิตไฟฟ้าพลังน้ำขนาดใหญ่หลายพันแห่งในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา แอฟริกา อินเดีย และประเทศอื่นๆ ในเอเชียและแปซิฟิกก็พร้อมที่จะทำเช่นเดียวกัน
แต่การขยายตัวโดยขาดการกำกับดูแลด้านสิ่งแวดล้อมอย่างเข้มงวดอาจนำไปสู่ปัญหาได้ เนื่องจากเขื่อนและอ่างเก็บน้ำรบกวนระบบนิเวศของแม่น้ำและแหล่งที่อยู่อาศัยโดยรอบ และการศึกษาเมื่อไม่นานนี้แสดงให้เห็นว่าอ่างเก็บน้ำสามารถปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนได้มากกว่าที่เคยเข้าใจกัน นอกจากนี้ ภัยแล้งที่เกิดจากสภาพอากาศยังทำให้พลังงานน้ำกลายเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่น่าเชื่อถือ เนื่องจากเขื่อนทางตะวันตกของอเมริกาสูญเสียกำลังการผลิตไฟฟ้าไปเป็นจำนวนมาก
มาร์ก คุก ผู้จัดการเขื่อนฮูเวอร์อันโด่งดังแห่งนี้กล่าวว่า “ในแต่ละปี เขื่อนฮูเวอร์จะผลิตพลังงานได้ประมาณ 4,500 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง เมื่อพิจารณาจากสภาพทะเลสาบในปัจจุบัน เขื่อนฮูเวอร์จะผลิตพลังงานได้ประมาณ 3,500 ล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง”
อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าพลังงานน้ำมีบทบาทสำคัญในอนาคตที่ใช้พลังงานหมุนเวียน 100% ดังนั้น การเรียนรู้วิธีลดความท้าทายเหล่านี้จึงเป็นสิ่งจำเป็น

พลังงานน้ำภายในประเทศ
ในปี 2021 พลังงานน้ำคิดเป็นประมาณ 6% ของการผลิตไฟฟ้าในระดับสาธารณูปโภคในสหรัฐอเมริกา และ 32% ของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน ในประเทศ พลังงานน้ำถือเป็นพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่ที่สุดจนถึงปี 2019 ซึ่งถูกแซงหน้าโดยพลังงานลม
คาดว่าสหรัฐฯ จะไม่ได้เห็นการเติบโตของพลังงานน้ำมากนักในทศวรรษหน้า ซึ่งส่วนหนึ่งเป็นเพราะขั้นตอนการออกใบอนุญาตและการอนุญาตที่เข้มงวด
“การขอใบอนุญาตต้องเสียเงินหลายสิบล้านดอลลาร์และต้องใช้เวลาหลายปี และสำหรับโรงไฟฟ้าบางแห่ง โดยเฉพาะโรงไฟฟ้าขนาดเล็กบางแห่ง พวกเขาไม่มีเงินหรือเวลาเพียงพอ” มัลคอล์ม วูล์ฟ ประธานและซีอีโอของสมาคมพลังงานน้ำแห่งชาติกล่าว เขาประเมินว่ามีหน่วยงานต่าง ๆ หลายสิบแห่งที่เกี่ยวข้องกับการออกใบอนุญาตหรือออกใบอนุญาตใหม่ให้กับโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำแห่งเดียว เขากล่าวว่ากระบวนการนี้ใช้เวลานานกว่าการออกใบอนุญาตโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
เนื่องจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำเฉลี่ยในสหรัฐฯ มีอายุมากกว่า 60 ปี โรงไฟฟ้าหลายแห่งจึงจำเป็นต้องได้รับใบอนุญาตใหม่ในเร็วๆ นี้
“ดังนั้น เราอาจต้องเผชิญกับการสละใบอนุญาตมากมาย ซึ่งถือเป็นเรื่องน่าขบขันในขณะที่เรากำลังพยายามเพิ่มปริมาณการผลิตไฟฟ้าแบบยืดหยุ่นและปลอดคาร์บอนที่มีอยู่ในประเทศนี้” วูล์ฟกล่าว
อย่างไรก็ตาม กระทรวงพลังงานระบุว่ามีศักยภาพในการเติบโตภายในประเทศผ่านการยกระดับโรงไฟฟ้าเก่าและเพิ่มพลังงานให้เขื่อนที่มีอยู่
“เรามีเขื่อน 90,000 แห่งในประเทศนี้ ซึ่งส่วนใหญ่สร้างขึ้นเพื่อควบคุมน้ำท่วม เพื่อการชลประทาน เพื่อกักเก็บน้ำ และเพื่อการพักผ่อนหย่อนใจ มีเพียง 3% เท่านั้นที่ใช้ผลิตไฟฟ้า” วูล์ฟกล่าว
การเติบโตในภาคส่วนนี้ยังขึ้นอยู่กับการขยายการผลิตพลังงานน้ำแบบสูบกลับ ซึ่งกำลังได้รับความนิยมในฐานะวิธีที่จะทำให้พลังงานหมุนเวียน “มั่นคง” โดยจะจัดเก็บพลังงานส่วนเกินไว้ใช้ในช่วงที่ไม่มีแสงแดดและไม่มีลมพัด
เมื่อระบบสูบน้ำเก็บพลังงานไฟฟ้า ระบบจะทำงานเหมือนกับโรงไฟฟ้าพลังน้ำทั่วไป คือ น้ำจะไหลจากอ่างเก็บน้ำด้านบนไปยังอ่างเก็บน้ำด้านล่าง โดยกังหันผลิตไฟฟ้าจะหมุนไปตามทาง ความแตกต่างก็คือ ระบบสูบน้ำเก็บพลังงานไฟฟ้าสามารถชาร์จพลังงานจากกริดเพื่อสูบน้ำจากด้านล่างขึ้นไปยังอ่างเก็บน้ำด้านบนได้ จึงสามารถเก็บพลังงานศักย์ไว้ได้ ซึ่งสามารถปลดปล่อยออกมาได้เมื่อจำเป็น
แม้ว่าปัจจุบันพลังงานไฟฟ้าที่สูบจากแหล่งเก็บน้ำจะมีกำลังการผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 22 กิกะวัตต์ แต่ขณะนี้มีโครงการที่เสนอให้ดำเนินการพัฒนาอีกกว่า 60 กิกะวัตต์ ซึ่งถือเป็นรองเพียงจีนเท่านั้น
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ใบอนุญาตและใบสมัครใบอนุญาตสำหรับระบบสูบน้ำกักเก็บน้ำเพิ่มขึ้นอย่างมาก และกำลังมีการพิจารณาเทคโนโลยีใหม่ๆ ซึ่งรวมถึงสิ่งอำนวยความสะดวกแบบ "วงจรปิด" ซึ่งอ่างเก็บน้ำทั้งสองแห่งไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งน้ำภายนอก หรือสิ่งอำนวยความสะดวกขนาดเล็กที่ใช้ถังเก็บน้ำแทนอ่างเก็บน้ำ ทั้งสองวิธีนี้น่าจะสร้างผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยรอบน้อยกว่า

การปล่อยมลพิษและภัยแล้ง
การสร้างเขื่อนกั้นแม่น้ำหรือการสร้างอ่างเก็บน้ำใหม่สามารถขัดขวางการอพยพของปลาและทำลายระบบนิเวศและแหล่งที่อยู่อาศัยโดยรอบ เขื่อนและอ่างเก็บน้ำทำให้ผู้คนหลายสิบล้านคนต้องอพยพตลอดประวัติศาสตร์ โดยปกติจะเป็นชุมชนพื้นเมืองหรือชุมชนชนบท
อันตรายเหล่านี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่ความท้าทายใหม่ – การปล่อยมลพิษจากแหล่งกักเก็บ – กำลังได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น
“สิ่งที่ผู้คนไม่ทราบก็คือ อ่างเก็บน้ำเหล่านี้ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนจำนวนมากสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ถือเป็นก๊าซเรือนกระจกที่รุนแรง” Ilissa Ocko นักวิทยาศาสตร์ด้านสภาพอากาศอาวุโสแห่งกองทุนป้องกันสิ่งแวดล้อม กล่าว
การปล่อยมลพิษมาจากพืชและสารอินทรีย์อื่นๆ ที่สลายตัว ซึ่งจะสลายตัวและปล่อยก๊าซมีเทนออกมาเมื่อพื้นที่ถูกน้ำท่วมเพื่อสร้างอ่างเก็บน้ำ “ปกติแล้ว ก๊าซมีเทนจะเปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ แต่ต้องใช้ออกซิเจนจึงจะทำได้ และถ้าน้ำอุ่นมากจริงๆ ชั้นล่างก็จะไม่มีออกซิเจน” อ็อกโกกล่าว ซึ่งหมายความว่าก๊าซมีเทนจะถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ
เมื่อพิจารณาถึงการทำให้โลกร้อนขึ้น ก๊าซมีเทนมีศักยภาพมากกว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 80 เท่าในช่วง 20 ปีแรกหลังจากถูกปล่อยออกมา จากการวิจัยจนถึงขณะนี้พบว่าพื้นที่ที่ร้อนกว่าของโลก เช่น อินเดียและแอฟริกา มักมีพืชที่ก่อมลพิษมากกว่า ขณะที่อ็อกโกกล่าวว่าแหล่งกักเก็บก๊าซในจีนและสหรัฐอเมริกาไม่น่าเป็นห่วงเป็นพิเศษ แต่อ็อกโกกล่าวว่าจำเป็นต้องมีวิธีการวัดการปล่อยก๊าซที่เข้มงวดกว่านี้
“แล้วคุณก็จะมีแรงจูงใจต่างๆ มากมายที่จะลดการปล่อยก๊าซลง หรือมีกฎระเบียบจากหน่วยงานต่างๆ เพื่อให้แน่ใจว่าคุณไม่ปล่อยก๊าซมากเกินไป” Ocko กล่าว
ปัญหาสำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับพลังงานน้ำคือภัยแล้งที่เกิดจากสภาพอากาศ อ่างเก็บน้ำตื้นเขินทำให้ผลิตพลังงานได้น้อยลง ซึ่งน่าเป็นห่วงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ทางตะวันตกของอเมริกา ซึ่งประสบกับช่วงแห้งแล้งที่สุดในรอบ 22 ปีในรอบ 1,200 ปีที่ผ่านมา
เนื่องจากอ่างเก็บน้ำ เช่น ทะเลสาบพาวเวลล์ ซึ่งส่งน้ำไปยังเขื่อนเกล็นแคนยอน และทะเลสาบมีด ซึ่งส่งน้ำไปยังเขื่อนฮูเวอร์ ผลิตไฟฟ้าได้น้อยลง เชื้อเพลิงฟอสซิลจึงเข้ามาทดแทนการผลิตไฟฟ้าได้ การศึกษาวิจัยหนึ่งพบว่าตั้งแต่ปี 2001 ถึง 2015 มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มขึ้น 100 ล้านตันใน 11 รัฐทางตะวันตก เนื่องจากเกิดภาวะแห้งแล้งและเปลี่ยนจากการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ ในช่วงเวลาที่ยากลำบากเป็นพิเศษในแคลิฟอร์เนียระหว่างปี 2012 ถึง 2016 การศึกษาวิจัยอีกชิ้นหนึ่งประเมินว่าการสูญเสียการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำทำให้รัฐสูญเสียเงิน 2.45 พันล้านดอลลาร์
เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่ทะเลสาบมีดประกาศภาวะขาดแคลนน้ำ ส่งผลให้รัฐแอริโซนา เนวาดา และเม็กซิโกต้องตัดน้ำทิ้ง คาดว่าระดับน้ำที่ปัจจุบันอยู่ที่ 1,047 ฟุตจะลดลงอีก เนื่องจากสำนักงานชลประทานได้ดำเนินการที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนด้วยการกักเก็บน้ำที่ทะเลสาบพาวเวลล์ซึ่งตั้งอยู่เหนือแม่น้ำทะเลสาบมีด เพื่อให้เขื่อนเกลนแคนยอนสามารถผลิตไฟฟ้าได้ต่อไป หากระดับน้ำของทะเลสาบมีดลดลงต่ำกว่า 950 ฟุต เขื่อนจะไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้อีกต่อไป

อนาคตพลังงานน้ำ
การปรับปรุงโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานน้ำที่มีอยู่ให้ทันสมัยอาจเพิ่มประสิทธิภาพและชดเชยความสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับภัยแล้งได้ อีกทั้งยังทำให้แน่ใจได้ว่าโรงงานต่างๆ จะสามารถเดินเครื่องต่อไปได้อีกหลายทศวรรษ
ระหว่างนี้จนถึงปี 2030 จะมีการใช้จ่ายเงิน 127 พันล้านดอลลาร์ในการปรับปรุงโรงงานเก่าทั่วโลก ซึ่งคิดเป็นเกือบหนึ่งในสี่ของการลงทุนด้านพลังงานน้ำทั่วโลก และเกือบ 90% ของการลงทุนในยุโรปและอเมริกาเหนือ
ที่เขื่อนฮูเวอร์ นั่นหมายถึงการปรับปรุงกังหันบางส่วนให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในพื้นที่ที่ต่ำกว่า ติดตั้งประตูรั้วที่บางลงซึ่งควบคุมการไหลของน้ำเข้าไปในกังหัน และฉีดอากาศอัดเข้าไปในกังหันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ
แต่ในส่วนอื่นๆ ของโลก การลงทุนส่วนใหญ่จะมุ่งไปที่โรงไฟฟ้าใหม่ โครงการขนาดใหญ่ของรัฐในเอเชียและแอฟริกาคาดว่าจะคิดเป็น 75% ของกำลังการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำใหม่ภายในปี 2030 แต่บางคนก็กังวลเกี่ยวกับผลกระทบที่โครงการดังกล่าวจะมีต่อสิ่งแวดล้อม
“ในความคิดเห็นส่วนตัวของฉัน พวกมันถูกสร้างมาเกินความจำเป็น พวกมันถูกสร้างมาจนมีกำลังการผลิตมหาศาลซึ่งไม่จำเป็น” แชนนอน เอเมส ผู้อำนวยการบริหารของ Low Impact Hydropower Institute กล่าว “พวกมันสามารถสร้างเป็นเขื่อนแบบไหลผ่านได้ และสามารถออกแบบให้แตกต่างออกไปได้”
สิ่งอำนวยความสะดวกแบบน้ำไหลไม่มีอ่างเก็บน้ำ จึงส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า แต่ไม่สามารถผลิตพลังงานตามความต้องการได้ เนื่องจากผลผลิตขึ้นอยู่กับการไหลของน้ำตามฤดูกาล คาดว่าพลังงานน้ำแบบน้ำไหลจะมีสัดส่วนประมาณ 13% ของกำลังการผลิตทั้งหมดในทศวรรษนี้ ในขณะที่พลังงานน้ำแบบเดิมจะมีสัดส่วน 56% และพลังงานน้ำแบบสูบกลับจะมีสัดส่วน 29%
โดยรวมแล้วการเติบโตของพลังงานน้ำกำลังชะลอตัวลง และมีแนวโน้มที่จะหดตัวประมาณ 23% จนถึงปี 2030 การพลิกกลับแนวโน้มนี้จะขึ้นอยู่กับการปรับกระบวนการกำกับดูแลและการอนุญาต รวมถึงการกำหนดมาตรฐานความยั่งยืนและโปรแกรมวัดการปล่อยมลพิษที่สูงเพื่อให้แน่ใจว่าชุมชนยอมรับ ระยะเวลาการพัฒนาที่สั้นลงจะช่วยให้ผู้พัฒนาได้รับข้อตกลงการซื้อขายพลังงาน จึงสร้างแรงจูงใจในการลงทุนเนื่องจากจะรับประกันผลตอบแทน
“เหตุผลส่วนหนึ่งที่บางครั้งโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมดูไม่น่าดึงดูดใจนักก็เพราะว่าขอบเขตของโครงการนั้นแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น โรงไฟฟ้าพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์มักถูกมองว่าเป็นโครงการที่มีระยะเวลา 20 ปี” Ames กล่าว “ในทางกลับกัน โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำได้รับอนุญาตและดำเนินการเป็นเวลา 50 ปี และโรงไฟฟ้าหลายแห่งดำเนินการมาแล้ว 100 ปี… แต่ตลาดทุนของเราไม่ได้ให้ความสำคัญกับผลตอบแทนที่ยาวนานกว่านั้น”

วูล์ฟกล่าวว่าการค้นหาแรงจูงใจที่เหมาะสมสำหรับการพัฒนาพลังงานน้ำและการสูบกักเก็บพลังงาน และการทำให้แน่ใจว่าจะดำเนินการอย่างยั่งยืน จะเป็นสิ่งสำคัญในการทำให้โลกเลิกใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล
“เราไม่ได้รับพาดหัวข่าวเหมือนกับเทคโนโลยีอื่นๆ แต่ฉันคิดว่าผู้คนเริ่มตระหนักมากขึ้นเรื่อยๆ ว่าคุณไม่สามารถมีโครงข่ายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้หากไม่มีพลังงานน้ำ”