30.06.2022

Гидроэнергетика – забытый гигант чистой энергии. Почему?

(опубликовано 2 июня 2022 в CNBS, США )

https://www.cnbc.com/2022/06/02/why-hydropower-is-the-worlds-most-overlooked-renewable.html

Гидроэнергетика на сегодняшний день является крупнейшим возобновляемым источником энергии в мире, производя в два раза больше энергии, чем ветер, и в четыре раза больше, чем солнечная энергия. А закачка воды из нижнего бассейна в верхний, также известная как «аккумулирующая гидроэнергетика», составляет более 90% от общей емкости хранения энергии в мире.

Но, несмотря на огромное влияние гидроэнергетики, в США о ней почти ничего не слышно. В то время как за последние несколько десятилетий цены на ветровую и солнечную энергию резко упали, а доступность резко возросла, внутреннее производство гидроэлектроэнергии остается относительно стабильным, поскольку страна уже строила гидроэлектростанции в самых географически идеальных местах.

На международном уровне другая история. Китай подпитывал свой экономический рост, строя тысячи новых, часто массивных гидроэлектростанций, за последние несколько десятилетий. Африка, Индия и другие страны Азии и Тихоокеанского региона намерены сделать то же самое.

Но расширение без строгого экологического надзора может привести к проблемам, поскольку плотины и водохранилища разрушают речные экосистемы и окружающую среду обитания, а недавние исследования показывают, что водохранилища могут выделять больше углекислого газа и метана, чем считалось ранее. Кроме того, вызванная климатом засуха делает гидроэлектростанции менее надежным источником энергии, поскольку плотины на американском Западе потеряли значительную часть своей мощности по выработке электроэнергии.

«В обычный год плотина Гувера (Hoover Dam) будет генерировать около 4,5 миллиардов киловатт-часов энергии», — сказал Марк Кук (Mark Cook), управляющий легендарной плотиной Гувера. «С учетом того, что озеро такое, какое оно сейчас, это больше похоже на 3,5 миллиарда киловатт-часов».

Тем не менее, эксперты говорят, что гидроэнергетика должна сыграть большую роль в будущем, где будет использоваться 100% возобновляемая энергия, поэтому необходимо научиться смягчать эти проблемы.

Национальная гидроэнергетика США

В 2021 году на долю гидроэнергетики приходилось около 6% производства электроэнергии в коммунальных масштабах в США и 32% производства электроэнергии из возобновляемых источников. Внутри страны он был крупнейшим возобновляемым источником энергии до 2019 года, пока его не обогнал ветер.

Ожидается, что в ближайшее десятилетие в США не будет значительного роста гидроэнергетики, отчасти из-за обременительного процесса лицензирования и выдачи разрешений.

«Прохождение процесса лицензирования стоит десятки миллионов долларов и годы усилий. И для некоторых из этих объектов, особенно для некоторых небольших объектов, у них просто нет ни денег, ни времени», — говорит Малкольм Вулф (Malcolm Woolf), президент и главный исполнительный директор Национальной гидроэнергетической ассоциации (The National Hydropower Association). По его оценке, лицензированием или повторным лицензированием одного гидроэнергетического объекта занимаются десятки различных агентств. Этот процесс, по его словам, занимает больше времени, чем лицензирование атомной станции.

Плотина Шаста (The Shasta Dam) в округе Шаста, штат Калифорния (Shasta County, California), начала генерировать электроэнергию в 1945 году.


Поскольку возраст средней гидроэлектростанции в США превышает 60 лет, многим из них вскоре потребуется перелицензирование.

«Таким образом, мы можем столкнуться с массой отказов от лицензий, что иронично, поскольку мы пытаемся увеличить количество маневренной безуглеродной генерации, которая у нас есть в этой стране», — сказал Вульф (Woolf).

Но Министерство энергетики говорит, что есть 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 защиты от наводнений, для орошения, для хранения воды, для отдыха. Только 3% этих плотин фактически используются для выработки электроэнергии», — сказал Вульф (Woolf).

Рост в этом секторе также зависит от расширения аккумулирующих гидроэлектростанций, которые набирают обороты как способ «поддержать» возобновляемые источники энергии, сохраняя избыточную энергию для использования, когда солнце не светит и ветер не дует.

Когда гидроаккумулирующая установка вырабатывает электроэнергию, она работает так же, как обычная гидроэлектростанция: вода течет из верхнего бассейна в нижний, попутно вращая электрогенерирующую турбину. Разница в том, что насосное хранилище может перезаряжаться, используя энергию сети для перекачки воды снизу-вверх в более высокий бассейн, тем самым накапливая потенциальную энергию, которая может быть высвобождена при необходимости.

В то время как сегодня гидроаккумулирующие мощности вырабатывают около 22 гигаватт электроэнергии, в разработке находится более 60 гигаватт предлагаемых проектов. Это второе место после Китая.

В последние годы значительно увеличилось количество заявок на получение разрешений и лицензий на гидроаккумулирующие системы и рассматриваются новые технологии. К ним относятся объекты «замкнутого цикла», в которых ни один из бассейнов не подключен к внешнему источнику воды, или объекты меньшего размера, в которых вместо водохранилища используются небольшие резервуары. Оба метода, вероятно, будут менее разрушительными для окружающей среды.

Выбросы и засуха

Перекрытие рек или создание новых водохранилищ может препятствовать миграции рыб и разрушать окружающие экосистемы и места обитания. Плотины и водохранилища на протяжении всей истории даже вытесняли десятки миллионов людей, обычно коренных или сельских общин.

Этот вред широко известен. Но теперь повышенное внимание привлекает новая проблема — выбросы из водохранилищ.

«Чего люди не понимают, так это того, что эти водохранилища на самом деле выбрасывают в атмосферу углекислый газ и метан, оба из которых являются сильными парниковыми газами», — сказала Илисса Окко (Ilissa Ocko), старший научный сотрудник по климату в Фонде защиты окружающей среды (The Environmental Defense Fund).

Выбросы происходят от разлагающейся растительности и других органических веществ, которые при разложении выделяют метан, когда территория затопляется для создания резервуара. «Обычно этот метан затем превращается в углекислый газ, но для этого вам нужен кислород. И если вода действительно очень теплая, то нижние слои обеднены кислородом», — сказал Око (Ocko), имея в виду, что метан затем выбрасывается в атмосферу.

Когда дело доходит до глобального потепления, метан более чем в 80 раз эффективнее CO2 и выделяется в течение первых 20 лет после строительства водохранилища. На данный момент исследования показывают, что в более жарких частях мира, таких как Индия и Африка, как правило, больше растений, загрязняющих окружающую среду, в то время как Око (Ocko) говорит, что водохранилища в Китае и США не вызывают особого беспокойства, при этом отмечая, что нужен более надежный способ измерения выбросов.

«И тогда у вас могут быть всевозможные стимулы для его сокращения или предписания различных органов, мотивирующие убедиться, что вы не выделяете слишком много СО2», — сказал Око (Ocko).

Еще одна серьезная проблема для гидроэнергетики — засуха, вызванная изменением климата. Неглубокие водохранилища производят в засуху меньше энергии и это вызывает особую озабоченность на американском Западе, где наблюдается самый засушливый 22-летний период за последние 1200 лет.

Озеро Мид (Lake Mead), большой резервуар, расположенный в Неваде (Nevada) и Аризоне (Arizona), который питает плотину Гувера (The Hoover Dam), находится на рекордно низком уровне. Белая скала указывает на уровень воды в озере, когда оно наполнено.


Поскольку такие водохранилища, как озеро Пауэлл (Lake Powell), питающее плотину Глен-Каньон (The Glen Canyon Dam), и озеро Мид (Lake Mead), питающее плотину Гувера (The Hoover Dam), производят меньше электроэнергии, ископаемое топливо компенсирует потери. Одно исследование показало, что в период с 2001 по 2015 год в 11 штатах на западе было выброшено дополнительно 100 миллионов тонн углекислого газа из-за вызванного засухой отказа от гидроэнергетики. Другое исследование показало, что во время особенно тяжелого периода для Калифорнии в период с 2012 по 2016 год потеря производства гидроэлектроэнергии обошлась штату в 2,45 миллиарда долларов.

Впервые в истории на озере Мид (Lake Mead) была объявлена нехватка воды, что привело к сокращению распределения воды в Аризоне, Неваде и Мексике. Ожидается, что уровень воды, который в настоящее время составляет 1047 футов, упадет еще больше, поскольку Бюро мелиорации (The Bureau of Reclamation) предприняло беспрецедентный шаг по сдерживанию воды в озере Пауэлл (Lake Powell), расположенном вверх по течению от озера Мид (Lake Mead), чтобы плотина Глен-Каньон (The Glen Canyon Dam) могла продолжать производить электроэнергию. Если озеро Мид (Lake Mead) упадет ниже 950 футов, оно больше не будет генерировать энергию.

Будущее гидроэнергетики

Модернизация существующей гидроэнергетической инфраструктуры может повысить эффективность и компенсировать некоторые потери, связанные с засухой, а также гарантировать, что электростанции смогут работать в течение многих десятилетий.

До 2030 года на модернизацию старых заводов по всему миру будет потрачено 127 миллиардов долларов. Это составляет почти четверть всех мировых инвестиций в гидроэнергетику и почти 90% инвестиций в Европе и Северной Америке.

На плотине Гувера (The Hoover Dam) это означало модернизацию некоторых турбин для более эффективной работы на более низких высотах, установку более тонких калиток, 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 ГЭС. Ожидается, что к 2030 году на крупные государственные проекты в Азии и Африке будет приходиться более 75% новых гидроэнергетических мощностей

«По моему скромному мнению, они перестроены. Они рассчитаны на огромную мощность, в которой нет необходимости», — сказал Шеннон Эймс (Shannon Ames), исполнительный директор Института гидроэнергетики с низким уровнем воздействия (The Low Impact Hydropower Institute).

Русловые сооружения не имеют водохранилища и, таким образом, оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, но они не могут генерировать энергию по запросу операторов энергосети, поскольку выработка зависит от сезонных стоков. Ожидается, что в этом десятилетии на долю гидроэлектростанций без водохранилищ будет приходиться около 13% общего прироста мощностей, в то время как на традиционную гидроэнергетику придется 56%, а на ГАЭС гидроэлектростанции — 29%.

Но в целом, рост гидроэнергетики США замедляется и должен сократиться примерно на 23% к 2030 году. Преодоление этой тенденции во многом будет зависеть от рационализации процессов регулирования и выдачи разрешений, а также от установления высоких стандартов устойчивости и программ измерения выбросов для обеспечения признания сообщества. Более короткие сроки разработки помогут разработчикам заключить соглашения о покупке электроэнергии, тем самым стимулируя инвестиции, поскольку будет гарантирована прибыль.

«Одна из причин, по которой иногда это выглядит не так привлекательно, как солнце и ветер, заключается в том, что горизонты для строительства объектов разные. Например, ветряная и солнечная электростанция обычно рассматривается как проект на 20 лет», — сказал Эймс (Ames). «С другой стороны, гидроэнергетика лицензируется и работает в течение 50 лет. И многие из них работают уже 100 лет… Но наши рынки капитала не могут правильно оценивать такую более длительную доходность».

По словам Вулф (Woolf), поиск правильных стимулов для развития гидроэнергетики и гидроаккумулирования, а также обеспечение их устойчивого развития будет иметь решающее значение для отказа от ископаемого топлива.

«Мы не получаем ярких заголовков, как некоторые другие технологии. Но я думаю, что люди все больше понимают, что без гидроэнергетики не может быть надежной сети».