Wytyczanie pozytywnej dla przyrody ścieżki do zrównoważonej przyszłości energetycznej

Zbliżająca się konferencja ONZ w sprawie zmian klimatu (COP27), która ma się odbyć w Egipcie w listopadzie, skupia uwagę na ścieżkach niezbędnych do osiągnięcia globalnych celów klimatycznych. Szybka dekarbonizacja gospodarek ma kluczowe znaczenie dla stabilizacji klimatu, w tym osiągnięcia systemów zerowej energii netto do 2050 r. Jednak w obliczu kryzysu związanego z przyrodą/różnorodnością biologiczną świata i dążenia do osiągnięcia szeregu celów rozwojowych, ścieżki te muszą uwzględniać ich wpływ na społeczności i ekosystemy; stabilizacja klimatu powinna dążyć do spójności z utrzymaniem systemów podtrzymywania życia na Ziemi.

Kilka prognoz dotyczących tego, co jest potrzebne do osiągnięcia systemów zasilania zgodnych z 1.5° Cel klimatyczny C charakteryzuje się podwojeniem globalnej mocy elektrowni wodnych, takich jak te z Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) i Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej (IRENA). Chociaż jest to proporcjonalnie mniejszy wzrost niż w przypadku innych odnawialnych źródeł energii, takich jak energia wiatrowa i fotowoltaiczna, które według prognoz wzrosną ponad dwudziestokrotnie, podwojenie globalnej mocy elektrowni wodnych oznacza jednak dramatyczną rozbudowę głównej infrastruktury, która wpłynie na rzeki na świecie – i zróżnicowaną korzyści, jakie zapewniają społeczeństwu i gospodarce dzięki rybołówstwu słodkowodnemu, które zasilają setki milionów ludzi w celu łagodzenia skutków powodzi i stabilnych delt.

Tylko jedna trzecia największych rzek świata pozostaje swobodnie płynąca – a podwojenie globalnej mocy elektrowni wodnych spowodowałoby spiętrzenie około połowy z nich, generując mniej niż 2% potrzebnej produkcji odnawialnej w 2050 r..

Prawie wszystkie nowe projekty energetyczne, w tym wiatrowe i słoneczne, spowodują pewne negatywne skutki, ale straty w głównym ekosystemie – dużych, swobodnie płynących rzekach – na taką skalę będzie miał poważne kompromisy dla ludzi i natury na poziomie globalnym. W związku z tym rozbudowa elektrowni wodnych zasługuje na szczególnie staranne planowanie i podejmowanie decyzji. Tutaj analizuję kilka głównych kwestii istotnych dla oceny hydroenergetyki, w tym kwestie, które są często źle rozumiane.

Często zakłada się, że mała elektrownia wodna jest zrównoważona lub ma niewielki wpływ, ale często tak nie jest. Mała elektrownia wodna nie jest spójnie definiowana (np. niektóre kraje klasyfikują „małą elektrownię wodną” jako coś o mocy do 50 MW), ale często klasyfikuje się ją jako projekty poniżej 10 MW. Ponieważ często zakłada się, że projekty tej wielkości mają niewielki wpływ na środowisko, małe projekty hydroenergetyczne często otrzymują zachęty lub dotacje i/lub korzystają z ograniczonego przeglądu środowiskowego. Jednak rozprzestrzenianie się małych zapór wodnych może powodować znaczne skumulowane oddziaływania. Co więcej, nawet mały projekt w szczególnie złej lokalizacji może wywołać zaskakująco duże negatywne skutki.

Energia wodna przepływowa jest również często przedstawiana jako mająca ograniczone negatywne skutki, ale niektóre z zapór o największym wpływie na rzeki to zapory przepływowe. Zapory na rzece nie magazynują wody przez długi czas; ilość wody dopływającej do projektu jest taka sama jak ilość wypływająca z projektu – przynajmniej na dobę. Jednak projekty przepływowe mogą być magazynowane w ciągu jednego dnia, gdy działają w celu „hydroszczytu”, przechowując wodę przez cały dzień i uwalniając ją w ciągu kilku godzin szczytowego zapotrzebowania. Ten tryb działania może powodować poważne negatywne skutki dla ekosystemów dolnych rzek. Ponieważ tamy na rzece nie mają dużych zbiorników retencyjnych, nie powodują niektórych poważnych skutków dla ludzi i rzek związanych z dużymi zbiornikami retencyjnymi, w tym przemieszczeń na dużą skalę i zakłóceń sezonowych wzorców przepływu rzek. Ale te różnice zbyt często prowadzą do bardziej ogólnych uogólnień, że projekty dotyczące rzek nie mają wpływu na rzeki – lub nawet ta elektrownia wodna nie wymaga tamy. Podczas gdy niektóre projekty dotyczące biegu rzeki nie obejmują zapory w całym kanale, wiele dużych projektów dotyczących biegu rzeki wymaga zapory, która fragmentuje koryto rzeki (patrz zdjęcie poniżej). To nieodpowiednie uogólnienie staje się szczególnie problematyczne, gdy zwolennicy projektu wskazują, że jego status rzeki jest skrótem, argumentując, że będzie miał minimalny wpływ. To „pośpieszne uogólnienie” zostało zastosowane przez zwolenników zapory Xayaboury na rzece Mekong, która ma duży wpływ zarówno na migrację ryb, jak i zatrzymywanie osadów potrzebnych w delcie w dolnym biegu rzeki.

Podczas gdy przeglądy środowiskowe zapór wodnych często koncentrują się na warunkach lokalnych, negatywne skutki mogą w rzeczywistości objawiać się nawet setki kilometrów od tamy. Gdy zapory wodne blokują ruch ryb wędrownych, mogą mieć negatywny wpływ na ekosystemy w całym dorzeczu rzeki, zarówno w górę, jak i w dół rzeki. A ponieważ ryby wędrowne są często jednymi z najważniejszych czynników przyczyniających się do rybołówstwa słodkowodnego, przekłada się to na negatywny wpływ na ludzi, nawet tych, którzy mogą żyć setki kilometrów od miejsca tamy. Zapory wodne były głównym czynnikiem do dramatycznych globalnych strat ryb wędrownych, które: spadła o 76% od 1970, z ważnymi przykładami, takimi jak rzeki Kolumbia i Mekong. Drugim długodystansowym oddziaływaniem są osady. Rzeka to coś więcej niż przepływ wody, to także przepływ osadów, takich jak muł i piasek. Rzeki odkładają ten osad, gdy wpływają do oceanu, tworząc deltę. Delty mogą być niezwykle produktywne – zarówno dla rolnictwa, jak i rybołówstwa – a ponad 500 milionów ludzi żyje obecnie w deltach na całym świecie, w tym delt Nilu, Gangesu, Mekongu i Jangcy. Jednak gdy rzeka wpływa do zbiornika, nurt znacznie zwalnia, a duża część osadów odpada i zostaje „uwięziona” za tamą. Zbiorniki wychwytują obecnie około jednej czwartej globalnego rocznego strumienia osadów —muł i piasek, które w przeciwnym razie pomogłyby w utrzymaniu delt w obliczu erozji i wzrostu poziomu morza. Niektóre kluczowe delty, takie jak Nil, straciły obecnie ponad 90% zasobów osadów i obecnie toną i kurczą się. W związku z tym tamy hydroenergetyczne mogą mieć duży wpływ na kluczowe zasoby w dużych dorzeczach, w tym: dostawy żywności o znaczeniu globalnym, ale zbyt często przegląd środowiskowy projektów hydroenergetycznych koncentruje się przede wszystkim na wpływie lokalnym.

Przepływ ryb wokół zapór rzadko łagodził negatywny wpływ zapór na ryby wędrowne. Przejścia ryb, takie jak przepławki dla ryb, a nawet windy, są powszechnym wymogiem łagodzącym dla zapór. Przejście dla ryb zostało pierwotnie opracowane na rzekach, które miały potężne gatunki ryb pływających i skaczących, takich jak łosoś, ale obecnie do zapór na dużych rzekach tropikalnych — takich jak Mekong lub dopływy Amazonki — dodaje się struktury przejścia, chociaż dane są bardzo ograniczone lub przykłady działania przejścia rybnego w tych rzekach. A Przegląd wszystkich recenzowanych badań z 2012 r. dotyczących wydajności pasażowania ryb odkrył, że pasaż rybny działał znacznie lepiej w przypadku łososia niż w przypadku innych rodzajów ryb; W przypadku łososi płynących w górę rzeki wskaźnik sukcesu wynosi średnio 62%. Ta liczba może wydawać się wysoka, ale większość ryb musi poruszać się po wielu tamach z rzędu; nawet przy stosunkowo wysokim wskaźniku powodzenia wynoszącym 62% na każdą matkę, mniej niż jedna czwarta łososia pomyślnie przejdzie przez trzy matki. W przypadku łososia wskaźnik sukcesu wyniósł 21% – nawet przy zaledwie dwóch matkach, tylko 4% migrujących ryb odniesie sukces (patrz poniżej). Co więcej, większość ryb wymaga również migracji w dół rzeki, przynajmniej w przypadku larw lub młodocianych ryb, a szybkość przejścia w dół rzeki jest często jeszcze niższa.

Energia wodna nie jest już najtańszą technologią wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych. W ostatnich dziesięcioleciach koszt energii wiatrowej spadł o około jedną trzecią, a koszt energii słonecznej spadł o 90% – i wydaje się, że te obniżki kosztów będą się utrzymywać. Tymczasem, średni koszt energii wodnej wzrósł nieco w ciągu ostatniej dekady, tak że wiatr na lądzie stał się obecnie najniższym średnim kosztem wśród odnawialnych źródeł energii. Chociaż jego średni koszt jest wciąż nieco wyższy niż energia wodna, projekty słoneczne są teraz konsekwentnie ustanawiać rekord dla projektu o najniższych kosztach energii.

Energetyka wodna ma największą częstotliwość opóźnień i przekroczeń kosztów wśród dużych projektów infrastrukturalnych. Badanie przeprowadzone przez EY wykazało, że 80 procent projektów hydroenergetycznych doświadczyło przekroczenia kosztów, średnio o 60 procent. Obie te proporcje były najwyższe wśród badanych rodzajów dużych projektów infrastrukturalnych, w tym elektrowni kopalnych i jądrowych, projektów wodnych i projektów wiatrowych na morzu. Badanie wykazało również, że 60 procent projektów hydroenergetycznych doświadczyło opóźnień ze średnim opóźnieniem wynoszącym prawie trzy lata, przekraczającym jedynie projekty węglowe, które miały nieco dłuższe średnie opóźnienia.

Energia wodna może zapewnić stałe wytwarzanie lub magazynowanie energii w celu wsparcia zmiennych odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr i słońce….

Wiatr i słońce są już wiodącą formą nowej generacji dodawanej każdego roku, a prognozy przewidują sieci niskoemisyjne, w których wiatr i energia słoneczna są dominującymi formami wytwarzania. Ale stabilne sieci będą potrzebowały czegoś więcej niż wiatru i słońca, będą też potrzebować pewnej kombinacji produkcji firmowej oraz pamięć masową, która równoważy sieci w okresach — od minut do tygodni — gdy dostępność tych zasobów spada. W wielu sieciach energia wodna jest jedną z technologii, które mogą zapewnić stałą energię. Jeden rodzaj elektrowni wodnych – elektrownie szczytowo-pompowe (PSH) – jest obecnie dominującą formą magazynowania na skalę komunalną w sieciach (około 95%). W projekcie PSH woda jest pompowana pod górę, gdy energii jest pod dostatkiem i magazynowana w górnym zbiorniku. Gdy potrzebna jest energia, woda spływa z powrotem do dolnego zbiornika, wytwarzając energię elektryczną dla sieci.

…ale usługi te często mogą być świadczone bez dalszej utraty płynących rzek. Badania skoncentrowane na opcjach rozbudowy sieci wykazały, że kraje często mogą zaspokoić przyszłe zapotrzebowanie na energię elektryczną za pomocą opcji niskoemisyjnych, które pozwalają uniknąć nowych zapór na swobodnie płynących rzekach, większe inwestycje w energię wiatrową i słoneczną w celu zastąpienia energii wodnej z dużymi negatywnymi skutkami lub przez staranne umiejscowienie nowej elektrowni wodnej co pozwala uniknąć budowy zapór na głównych rzekach o swobodnym przepływie lub na obszarach chronionych. Co więcej, dwa zbiorniki w ramach projektu elektrowni szczytowo-pompowej można zbudować w miejscach oddalonych od rzek i przepuszczać wodę między nimi. Naukowcy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego zmapowali Lokalizacje 530,000 na całym świecie z odpowiednią topografią do obsługi elektrowni szczytowo-pompowych poza kanałem, przy czym tylko niewielka część jest potrzebna do zapewnienia wystarczającego magazynowania dla sieci zdominowanych przez odnawialne źródła energii na całym świecie. Istniejące zbiorniki lub inne cechy, takie jak opuszczone doły górnicze może być również stosowany w projektach szczytowo-pompowych.

Nie wszystkie globalne scenariusze zgodne z celami klimatycznymi obejmują podwojenie energii wodnej. Chociaż kilka znaczących organizacji (np. IEA i IRENA), które modelują, w jaki sposób przyszłe systemy energetyczne mogą być zgodne z celami klimatycznymi, uwzględnia podwojenie globalnej mocy elektrowni wodnych, nie wszystkie takie scenariusze tak robią. Na przykład, podczas gdy modele IEA i IRENA uwzględniają co najmniej 1200 GW nowych mocy elektrowni wodnych do 2050 r., wśród scenariuszy stosowanych przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC), które są zgodne z 1.5° Cel C, około jedna czwarta z nich obejmowała mniej niż 500 GW nowej energii wodnej. Podobnie Jeden model klimatu na Ziemi, również zgodne z 1.5° Cel C, obejmuje tylko około 300 GW nowej energii wodnej do 2050 roku.

Produkcja energii wodnej może się rozwijać bez nowych zapór Systemy zasilania mogą dodać wytwarzanie energii wodnej bez dodawania nowych zapór wodnych na dwa podstawowe sposoby: (1) modernizacja istniejących projektów hydroenergetycznych w nowoczesne turbiny i inny sprzęt; oraz (2) dodanie turbin do zapór bez napędu. A badanie amerykańskiego Departamentu Energii odkryli, że przy odpowiednich zachętach finansowych, te dwa podejścia mogą dodać 11 GW energii wodnej do amerykańskiej floty hydroelektrycznej, co stanowi wzrost o 14% w porównaniu z dzisiejszą mocą. Gdyby podobny potencjał był dostępny w innych krajach na całym świecie, stanowiłoby to ponad połowę dodatkowej globalnej mocy hydroenergetycznej zawartej w Jeden model klimatu na Ziemi do 2050 r. Co więcej, dodanie projektów „pływającej energii słonecznej” na zbiornikach za tamami elektrowni wodnych, obejmujących zaledwie 10% ich powierzchni, może zwiększyć 4,000 GW nowej mocy, który jest w stanie wytworzyć około dwa razy więcej energii niż obecnie wytwarzana przez wszystkie elektrownie wodne.

Energetyka wodna jest podatna na zmiany klimatyczne, co podkreśla wartość zdywersyfikowanych sieci. Byłem główny autor badania Okazało się, że do 2050 roku 61 procent wszystkich zapór wodnych na świecie będzie znajdować się w basenach o bardzo wysokim lub skrajnym zagrożeniu suszą, powodzią lub jednym i drugim. Do 2050 r. 1 na 5 istniejących tam elektrowni wodnych znajdzie się na obszarach wysokiego ryzyka powodziowego z powodu zmian klimatycznych, w porównaniu z 1 na 25 obecnie. A Studiować w Zmiany klimatyczne natura Przewiduje się, że do połowy bieżącego stulecia do trzech czwartych projektów hydroenergetycznych na całym świecie zmniejszy się produkcja z powodu zmian w hydrologii spowodowanych klimatem. Kraje silnie uzależnione od energii wodnej są narażone na suszę, aw wielu regionach ryzyko to wzrośnie. Na przykład energia wodna dostarcza prawie całą energię elektryczną Zambii i susza w 2016 r. w południowej Afryce spowodowało spadek krajowej produkcji energii elektrycznej w Zambii o 40%, powodując ogromne zakłócenia gospodarcze i straty. Podatność ta podkreśla wartość zróżnicowanych źródeł wytwarzania w ramach sieci.

Energia wodna nie zawsze jest sporna, można znaleźć wspólną płaszczyznę. Chociaż organizacje zajmujące się ochroną przyrody i sektor hydroenergetyczny często miały sporne relacje, można znaleźć wspólną płaszczyznę. Na przykład w Stanach Zjednoczonych przedstawiciele sektora hydroenergetycznego, w tym National Hydropower Association (NHA) i kilka organizacji zajmujących się ochroną przyrody, utworzyli „Niezwykły dialog na temat energii wodnej” (pełne ujawnienie: reprezentowałem moją organizację, World Wildlife Fund-US, w tym dialogu). Uczestnicy Uncommon Dialogue zgodzili się, że energia wodna odgrywa kluczową rolę w zrównoważonej przyszłości energetycznej i że ochrona i odnowa rzek w USA powinny być priorytetem. Uczestnicy Uncommon Dialogue poparli przepisy zgodne z tą wspólną wizją i podpisaną w zeszłym roku ustawą o infrastrukturze, która obejmowała 2.3 mld USD na zwiększenie mocy elektrowni wodnych bez dodawania nowych zapór (poprzez modernizacje i zasilanie tam bez napędu)) oraz usuwanie starzejących się zapór w celu przywrócenia rzek i poprawy bezpieczeństwa publicznego.