Planerar en positiv väg för en hållbar energiframtid

Den annalkande FN-konferensen om klimatförändringar (COP27), som hålls i Egypten i november, fokuserar uppmärksamheten på de vägar som behövs för att uppnå globala klimatmål. En snabb avkarbonisering av ekonomier är central för att stabilisera klimatet, inklusive att uppnå nettonollkraftsystem till 2050. Men med världen som också står inför en natur-/biologisk mångfaldskris och strävar efter att uppnå en uppsättning utvecklingsmål, måste dessa vägar ta hänsyn till deras inverkan på samhällen och ekosystem; stabilisering av klimatet bör sträva efter att vara förenlig med att upprätthålla jordens livsuppehållande system.

Flera av prognoserna för vad som behövs för att uppnå kraftsystem som överensstämmer med 1.5° C klimatmål har en fördubbling av den globala vattenkraftkapaciteten, såsom de från Internationella energibyrån (IEA) och Internationella byrån för förnybar energi (IRENA). Även om det är en mindre proportionell ökning än andra förnybara energikällor som vind- och solenergi, som förväntas öka mer än tjugofaldigt, representerar en fördubbling av den globala vattenkraftkapaciteten ändå en dramatisk utbyggnad av stor infrastruktur som kommer att påverka världens floder – och de olika fördelar de ger samhällen och ekonomier från sötvattensfiske som matar hundratals miljoner till begränsning av översvämningar och stabila deltan.

Endast en tredjedel av världens största floder förblir fritt rinnande – och en fördubbling av den globala vattenkraftskapaciteten skulle leda till att ungefär hälften av dessa dämpas, samtidigt som det genererar mindre än 2 % av den nödvändiga förnybara produktionen 2050.

Nästan alla nya energiprojekt, inklusive vind och sol, kommer att orsaka vissa negativa effekter, men förluster av en stor ekosystemtyp – stora, fritt strömmande floder – i den skalan kommer att ha stora avvägningar för människor och natur på global nivå. Som sådan kräver utbyggnad av vattenkraft särskilt noggrann planering och beslutsfattande. Här undersöker jag några viktiga frågor som är relevanta för att utvärdera vattenkraft, inklusive frågor som ofta missförstås.

Liten vattenkraft antas ofta vara hållbar eller låg påverkan, men så är det ofta inte. Liten vattenkraft definieras inte konsekvent (till exempel klassificerar vissa länder "liten vattenkraft" som allt upp till 50 MW) men kategoriseras ofta som projekt under 10 MW. Eftersom projekt av den storleken ofta antas ha mindre påverkan på miljön, får små vattenkraftprojekt ofta incitament eller subventioner och/eller drar nytta av begränsad miljögranskning. Däremot kan spridningen av små vattenkraftsdammar orsaka avsevärda kumulativa effekter. Vidare kan även ett litet projekt på ett särskilt dåligt läge orsaka förvånansvärt stora negativa effekter.

Vattenkraft i flod framställs också ofta ha begränsade negativa effekter, men några av de dammar som har störst påverkan på floder är dammar som rinner av floden. Dammar som rinner av flod lagrar inte vatten under långa tidsperioder; mängden vatten som strömmar in i projektet är densamma som mängden som rinner ut ur projektet – åtminstone på en daglig basis. Däremot kan flodprojekt lagras inom en dag när de arbetar för "hydropeaking", lagrar vatten hela dagen och släpper ut det under några timmars toppbehov. Detta driftsätt kan orsaka stora negativa effekter på nedströms flod-ekosystem. Eftersom dammar som rinner av floden inte har stora lagringsreservoarer, orsakar de inte några av de stora effekterna på människor och floder som är förknippade med stora lagringsreservoarer, inklusive storskalig förskjutning av samhällen och störningar av säsongsbundna flödesmönster. Men dessa skillnader leder alltför ofta till mer genomgripande generaliseringar om att projekt som rinner av floden inte har effekter på floder – eller till och med att vattenkraften i älven inte kräver en damm. Även om en del projekt i flodflöden inte inkluderar en damm över hela kanalen, kräver många stora flodprojekt en damm som delar upp en flodkanal (se bilden nedan). Denna olämpliga generalisering blir särskilt problematisk när förespråkare för ett projekt pekar på dess status som floden som en kort hand för att hävda att det kommer att ha minimala effekter. Den "hastade generaliseringen" användes av förespråkarna för Xayaboury-dammen vid Mekongfloden, som har stor inverkan på både fiskvandring och fångst av sediment som behövs av nedströmsdeltat.

Medan miljögranskningar av vattenkraftsdammar ofta fokuserar på lokala förhållanden, kan negativa effekter faktiskt manifestera sig till och med hundratals kilometer bort från en damm. När vattenkraftsdammar blockerar förflyttningen av migrerande fiskar kan de orsaka negativa effekter på ekosystemen över ett helt avrinningsområde, både uppströms och nedströms dammen. Och eftersom migrerande fiskar ofta är bland de viktigaste bidragsgivarna till sötvattensfisket, leder detta till negativa effekter för människor, till och med vissa som kanske bor hundratals kilometer från en dammplats. Vattenkraftsdammar har varit en primär bidragsgivare till dramatiska globala förluster av migrerande fiskar, som har minskade med 76% sedan 1970, med högprofilerade exempel som Columbia och Mekongfloderna. En andra långdistanspåverkan är sediment. En flod är mer än ett flöde av vatten, det är också ett flöde av sediment, som silt och sand. Floder avsätter detta sediment när de kommer ut i havet, vilket skapar ett delta. Delta kan vara extremt produktiva – för både jordbruk och fiske – och mer än 500 miljoner människor lever nu på deltan runt om i världen, inklusive de i Nilen, Ganges, Mekong och Yangtze. Men när en flod kommer in i en reservoar saktar strömmen avsevärt, och mycket av sedimentet faller ut och "fångas" bakom dammen. Reservoarer fångar nu upp ungefär en fjärdedel av det globala årliga flödet av sediment—silt och sand som annars skulle bidra till att bibehålla deltan inför erosion och havsnivåhöjning. Vissa viktiga deltan, som Nilen, har nu förlorat mer än 90 % av sin sedimenttillgång och sjunker nu och krymper. Således kan vattenkraftsdammar ha stor inverkan på nyckelresurser över stora avrinningsområden, inklusive globalt viktiga livsmedelsförsörjning, men alltför ofta fokuserar miljööversynen av vattenkraftprojekt främst på lokala effekter.

Fiskpassage runt dammar har sällan mildrat de negativa effekterna av dammar på vandrande fiskar. Fiskpassage, som fisktrappor eller till och med hissar, är ett vanligt begränsningskrav för dammar. Fiskpassage utvecklades ursprungligen på floder som hade kraftfulla simmande och hoppande fiskarter, såsom lax, men passagestrukturer läggs nu till dammar i stora tropiska floder - som Mekong eller bifloder till Amazonas - även om det finns mycket begränsad data eller exempel på hur fiskpassagen fungerar i dessa floder. A 2012 genomgång av alla peer-reviewed studier om fiskpassageprestanda fann att fiskpassagen fungerade mycket bättre för lax än för andra typer av fisk; i genomsnitt har strukturer en framgångsgrad på 62 % för lax som simmar uppströms. Den siffran kan tyckas hög, men de flesta fiskar måste navigera flera dammar i rad; även med den relativt höga framgångsgraden på 62 % vid varje damm, skulle mindre än en fjärdedel av laxen lyckas passera tre dammar. För icke-lax var framgångsgraden 21 % – även med bara två dammar kommer endast 4 % av de migrerande fiskarna att lyckas (se nedan). Vidare kräver de flesta fiskar också nedströms migration, åtminstone för larver eller ungfiskar, och passagehastigheten nedströms är ofta ännu lägre.

Vattenkraft är inte längre den billigaste tekniken för förnybar produktion. Under de senaste decennierna har kostnaderna för vind sjunkit med cirka en tredjedel och kostnaderna för solenergi har sjunkit med 90 % – och dessa kostnadsminskningar verkar sannolikt fortsätta. Under tiden, den genomsnittliga kostnaden för vattenkraft har ökat något under det senaste decenniet, så att landbaserad vindkraft nu har blivit den lägsta genomsnittliga kostnaden bland förnybar energi.. Även om den genomsnittliga kostnaden fortfarande är något högre än vattenkraft, projekterar solenergi nu satte konsekvent rekordet för energiprojekt med lägsta kostnad.

Vattenkraft har den högsta frekvensen av förseningar och kostnadsöverskridanden bland stora infrastrukturprojekt. En studie av EY fann att 80 procent av vattenkraftsprojekten upplevde kostnadsöverskridanden med ett genomsnittligt överskridande på 60 procent. Båda dessa andelar var de högsta bland typerna av stora infrastrukturprojekt i deras studie, inklusive fossila och kärnkraftverk, vattenprojekt och havsbaserade vindkraftsprojekt. Studien fann också att 60 procent av vattenkraftsprojekten upplevde förseningar med en genomsnittlig fördröjning på nästan tre år, som endast överträffades av kolprojekt som hade något längre genomsnittliga förseningar.

Vattenkraft kan tillhandahålla fast energiproduktion eller lagring till stöd för variabla förnybara energikällor som vind och sol...

Vind och sol är redan den ledande formen av ny generation som läggs till varje år och prognoser förutser lågkoldioxidnät där vind och sol är de dominerande formerna av produktion. Men stabila nät kommer att behöva mer än vind och sol, de kommer också att behöva en kombination av fast generation och lagring som kommer att balansera rutnät under perioder – från minuter till veckor – när tillgången på dessa resurser minskar. I många nät är vattenkraft bland de teknologier som kan ge fast energi. En typ av vattenkraft – pumpad lagringsvattenkraft (PSH) – är för närvarande den dominerande formen av lagring i nät (cirka 95 %). I ett PSH-projekt pumpas vatten uppför när strömmen är riklig och lagras i en övre reservoar. När ström behövs rinner vattnet tillbaka nedför till den nedre reservoaren och genererar el till nätet.

…men dessa tjänster kan ofta tillhandahållas utan ytterligare förlust av fritt strömmande floder. Forskning fokuserad på alternativ för nätutbyggnad har visat att länder ofta kan möta framtida efterfrågan på el med alternativ med låga koldioxidutsläpp som undviker nya dammar i fritt strömmande floder, antingen genom större investeringar i vind och sol för att ersätta vattenkraft med stora negativa effekter eller genom noggrann lokalisering av ny vattenkraft som undviker dammutveckling på stora fritt strömmande floder eller i skyddade områden. Vidare kan de två reservoarerna i ett pumpat lagringsprojekt byggas på platser borta från floder och cirkulera vattnet fram och tillbaka mellan dem. Forskare från Australian National University kartlade 530,000 platser runt om i världen med lämplig topografi för att stödja pumpad lagring utanför kanalen, med endast en liten del som behövs för att tillhandahålla tillräckligt med lagring för förnybara nät runt om i världen. Befintliga reservoarer eller andra funktioner som t.ex övergivna gruvgropar kan också användas i pumpade lagringsprojekt.

Inte alla globala scenarier förenliga med klimatmål inkluderar en fördubbling av vattenkraften. Även om flera framstående organisationer (t.ex. IEA och IRENA) som modellerar hur framtida kraftsystem kan överensstämma med klimatmål inkluderar en fördubbling av den globala vattenkraftkapaciteten, gör inte alla sådana scenarier det. Till exempel, medan IEA- och IRENA-modellerna inkluderar minst 1200 GW ny vattenkraftskapacitet till 2050, är ​​bland de scenarier som används av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) som överensstämmer med 1.5° C-målet, cirka en fjärdedel av dem omfattade mindre än 500 GW ny vattenkraft. På samma sätt En jordklimatmodell, som också överensstämmer med 1.5° C-målet, omfattar endast cirka 300 GW ny vattenkraft år 2050.

Vattenkraftproduktionen kan expandera utan nya dammar Kraftsystem kan lägga till vattenkraftproduktion utan att lägga till nya vattenkraftsdammar på två primära sätt: (1) eftermontering av befintliga vattenkraftprojekt med moderna turbiner och annan utrustning; och (2) lägga till turbiner till icke-drivna dammar. A studie av det amerikanska energidepartementet fann att, med de rätta ekonomiska incitamenten på plats, kan dessa två tillvägagångssätt lägga till 11 GW vattenkraft till den amerikanska vattenkraftsflottan, en ökning med 14 % från dagens kapacitet. Om liknande potential fanns tillgänglig i andra länder runt om i världen, representerar det mer än hälften av den ytterligare globala vattenkraftkapaciteten som ingår i En jordklimatmodell senast 2050. Att lägga till "flytande solenergi"-projekt på reservoarerna bakom vattenkraftsdammar, som täcker bara 10 % av deras yta, skulle kunna lägga till 4,000 XNUMX GW ny kapacitet, som kan generera ungefär dubbelt så mycket kraft som genereras från all vattenkraft idag.

Vattenkraften är sårbar för klimatförändringar, vilket betonar värdet av diversifierade nät. Jag var huvudförfattare på en studie som fann att år 2050 kommer 61 procent av alla globala vattenkraftsdammar att finnas i bassänger med mycket hög eller extrem risk för torka, översvämningar eller både och. År 2050 kommer 1 av 5 befintliga vattenkraftsdammar att finnas i områden med hög översvämningsrisk på grund av klimatförändringarna, upp från 1 av 25 idag. A studera i Natur klimatförändringar förutspådde att upp till tre fjärdedelar av vattenkraftsprojekt världen över kommer att ha minskad produktion på grund av klimatdrivna förändringar i hydrologi i mitten av detta århundrade. Länder som är starkt beroende av vattenkraft är sårbara för torka och i många regioner kommer denna risk att öka. Till exempel tillhandahåller vattenkraft nästan all el till Zambia och en torka 2016 i södra Afrika fick Zambias nationella elproduktion att minska med 40%, vilket orsakar enorma ekonomiska störningar och förluster. Denna sårbarhet understryker värdet av diversifierade produktionskällor inom elnät.

Vattenkraft är inte alltid kontroversiellt, man kan hitta en gemensam grund. Medan naturvårdsorganisationer och vattenkraftssektorn ofta har haft ett kontroversiellt förhållande, kan man hitta en gemensam grund. Till exempel, i USA bildade representanter för vattenkraftsektorn, inklusive National Hydropower Association (NHA), och flera naturvårdsorganisationer en "Ovanlig dialog för vattenkraft” (fullständig avslöjande: Jag representerade min organisation, World Wildlife Fund-US, i denna dialog). Deltagare i Uncommon Dialogue var överens om att vattenkraft hade en nyckelroll i en hållbar energiframtid och att skydd och återställande av floder i USA borde vara en prioritet. Uncommon Dialogue-deltagarna stödde lagstiftning förenlig med den delade visionen och infrastrukturpropositionen, som undertecknades i lag förra året, inkluderade 2.3 miljarder USD för att öka vattenkraftkapaciteten utan att lägga till nya dammar (genom eftermontering och drivning av icke-drivna dammar) och för att ta bort åldrande dammar för att återställa floder och förbättra allmänhetens säkerhet.