ترسیم یک مسیر مثبت طبیعت به سوی آینده انرژی پایدار

کنفرانس تغییرات آب و هوایی سازمان ملل متحد (COP27) که در ماه نوامبر در مصر برگزار می شود، توجه را بر مسیرهای مورد نیاز برای دستیابی به اهداف آب و هوایی جهانی متمرکز می کند. کربن زدایی سریع اقتصادها برای تثبیت آب و هوا، از جمله دستیابی به سیستم های برق صفر خالص تا سال 2050، محوری است. اما با توجه به اینکه جهان نیز با بحران طبیعت/تنوع زیستی مواجه است و در تلاش برای دستیابی به مجموعه ای از اهداف توسعه است، این مسیرها باید تأثیر خود را بر جوامع و اکوسیستم ها؛ تثبیت آب و هوا باید تلاش کند تا با حفظ سیستم های پشتیبانی حیات زمین سازگار باشد.

چندین پیش بینی برای آنچه برای دستیابی به سیستم های قدرت مورد نیاز است مطابق با 1.5 است° هدف آب و هوای C دو برابر شدن ظرفیت جهانی انرژی آبی، مانند ظرفیت‌های موجود در آب و هوا را نشان می‌دهد آژانس بین المللی انرژی (IEA) و آژانس بین المللی انرژی های تجدید پذیر (ایرنا). در حالی که این افزایش نسبتاً کمتری نسبت به سایر انرژی‌های تجدیدپذیر مانند بادی و خورشیدی PV است که پیش‌بینی می‌شود بیش از بیست برابر افزایش یابد، با این وجود، دوبرابر شدن ظرفیت انرژی آبی جهانی نشان‌دهنده گسترش چشمگیر زیرساخت‌های اصلی است که بر رودخانه‌های جهان - و تنوع آن تأثیر می‌گذارد. مزایایی که آنها از طریق ماهیگیری آب شیرین برای جوامع و اقتصادها فراهم می کنند که صدها میلیون نفر را برای کاهش سیل و دلتاهای پایدار تغذیه می کند.

تنها یک سوم از بزرگترین رودخانه های جهان جریان آزاد دارند - و دوبرابر شدن ظرفیت جهانی نیروگاه های آبی منجر به سدسازی حدود نیمی از آنها می شود، در حالی که تولید کمتر از 2 درصد از تولید انرژی های تجدیدپذیر مورد نیاز در سال 2050.

تقریباً تمام پروژه‌های انرژی جدید، از جمله باد و خورشید، اثرات منفی ایجاد خواهند کرد، اما تلفات یک نوع اکوسیستم اصلی - رودخانه‌های بزرگ و آزاد - در آن مقیاس مبادلات بزرگی برای مردم و طبیعت خواهد داشت در سطح جهانی. به این ترتیب، توسعه نیروگاه های آبی نیازمند برنامه ریزی و تصمیم گیری دقیق است. در اینجا، من برخی از مسائل مهم مربوط به ارزیابی انرژی آبی را بررسی می‌کنم، از جمله مسائلی که اغلب اشتباه گرفته می‌شوند.

اغلب تصور می شود که انرژی آبی کوچک پایدار یا کم تاثیر است. اما اغلب اینطور نیست. برق آبی کوچک به طور مداوم تعریف نشده است (به عنوان مثال، برخی از کشورها "نیروگاه آبی کوچک" را به عنوان هر چیزی تا 50 مگاوات طبقه بندی می کنند) اما اغلب به عنوان پروژه های زیر 10 مگاوات طبقه بندی می شود. از آنجایی که تصور می‌شود پروژه‌های با آن اندازه تأثیرات جزئی بر محیط‌زیست دارند، پروژه‌های کوچک برق آبی اغلب مشوق‌ها یا یارانه‌ها دریافت می‌کنند و/یا از بررسی‌های محیطی محدود بهره می‌برند. با این حال، گسترش سدهای کوچک برق آبی می تواند اثرات تجمعی قابل توجهی ایجاد کند. علاوه بر این، حتی یک پروژه کوچک در یک مکان به خصوص ضعیف می تواند اثرات منفی شگفت آور زیادی ایجاد کند.

انرژی آبی رودخانه‌ای نیز اغلب به عنوان اثرات منفی محدودی ارائه می‌شود. اما برخی از سدهایی که بیشترین تأثیر را بر رودخانه ها دارند، سدهای روان هستند. سدهای روان آب را برای مدت طولانی ذخیره نمی کنند. مقدار آب ورودی به پروژه برابر با مقداری است که از پروژه خارج می شود - حداقل به صورت روزانه. با این حال، پروژه‌های روان‌آهن می‌توانند در یک روز زمانی که برای «هیدروپیکینگ» کار می‌کنند، ذخیره‌سازی کنند، آب را در طول روز ذخیره کنند و آن را در طی چند ساعت اوج تقاضا آزاد کنند. این شیوه عملکرد می تواند تأثیرات منفی عمده ای بر اکوسیستم رودخانه های پایین دست داشته باشد. از آنجایی که سدهای روان رودخانه دارای مخازن ذخیره بزرگ نیستند، برخی از اثرات عمده را بر مردم و رودخانه های مرتبط با مخازن ذخیره بزرگ، از جمله جابجایی در مقیاس بزرگ جوامع و اختلال در الگوهای فصلی جریان رودخانه، وارد نمی کنند. اما این تفاوت‌ها اغلب منجر به تعمیم‌های گسترده‌تر می‌شود که پروژه‌های روان‌آهن تأثیری بر رودخانه‌ها ندارند – یا حتی آن انرژی آبی رودخانه ای نیز نیازی به سد ندارد. در حالی که برخی از پروژه‌های روان‌آب شامل سدی در کل کانال نمی‌شوند، بسیاری از پروژه‌های بزرگ روان‌آب نیاز به سدی دارند که یک کانال رودخانه را تکه تکه کند (عکس زیر را ببینید). این تعمیم نامناسب به ویژه زمانی مشکل ساز می شود که طرفداران یک پروژه به وضعیت روان بودن آن اشاره می کنند و استدلال می کنند که حداقل تأثیرات را خواهد داشت. این «تعمیم عجولانه» توسط طرفداران سد Xayaboury در رودخانه مکونگ به کار گرفته شد، که تأثیرات عمده ای بر مهاجرت ماهی ها و به دام انداختن رسوبات مورد نیاز دلتای پایین دست دارد.

در حالی که بررسی های زیست محیطی سدهای برق آبی اغلب بر شرایط محلی متمرکز است، تأثیرات منفی در واقع می تواند حتی صدها کیلومتر دورتر از یک سد ظاهر شود. هنگامی که سدهای برق آبی حرکت ماهیان مهاجر را مسدود می کنند، می توانند تأثیرات منفی بر اکوسیستم در کل حوضه رودخانه، هم در بالادست و هم در پایین دست سد ایجاد کنند. و از آنجایی که ماهی‌های مهاجر اغلب یکی از مهم‌ترین مشارکت‌کنندگان در شیلات آب‌های شیرین هستند، این به تأثیرات منفی بر مردم، حتی برخی که ممکن است صدها کیلومتر دورتر از یک سد زندگی کنند، تبدیل می‌شود. سدهای برق آبی یکی از عوامل اصلی بوده است به تلفات جهانی چشمگیر ماهیان مهاجر، که دارند از زمان 76 با 1970٪ کاهش یافته است، با نمونه های برجسته مانند رودخانه های کلمبیا و مکونگ. دومین ضربه از راه دور رسوب است. رودخانه بیش از یک جریان آب، جریانی از رسوبات است، مانند سیلت و ماسه. رودخانه ها وقتی وارد اقیانوس می شوند، این رسوب را ته نشین می کنند و یک دلتا ایجاد می کنند. دلتاها می توانند بسیار مولد باشند – هم برای کشاورزی و هم برای شیلات – و اکنون بیش از 500 میلیون نفر در دلتاهای سراسر جهان از جمله دلتاهای نیل، گنگ، مکونگ و یانگ تسه زندگی می کنند. با این حال، هنگامی که یک رودخانه وارد یک مخزن می شود، جریان به طور قابل توجهی کاهش می یابد و بسیاری از رسوبات خارج شده و در پشت سد "به دام می افتند". مخازن در حال حاضر تقریباً یک چهارم از جریان سالانه رسوبات جهانی را به خود اختصاص می دهند.سیلت و ماسه که در غیر این صورت به حفظ دلتاها در برابر فرسایش و افزایش سطح دریا کمک می کند. برخی دلتاهای کلیدی، مانند رود نیل، اکنون بیش از 90 درصد ذخایر رسوب خود را از دست داده اند و اکنون در حال غرق شدن و کوچک شدن هستند. بنابراین، سدهای برق آبی می‌توانند تأثیرات عمده‌ای بر منابع کلیدی در سراسر حوضه‌های بزرگ رودخانه داشته باشند، از جمله منابع غذایی مهم جهانی، اما، اغلب، بررسی زیست محیطی پروژه های برق آبی عمدتاً بر اثرات محلی متمرکز است.

عبور ماهی از اطراف سدها به ندرت اثرات منفی سدها را بر ماهیان مهاجر کاهش داده است. عبور ماهی، مانند نردبان ماهی یا حتی آسانسور، یک نیاز معمول کاهش برای سدها است. گذرگاه ماهی در ابتدا بر روی رودخانه‌هایی ایجاد شد که دارای گونه‌های ماهی‌های قدرتمند شنا و جهش بودند، مانند ماهی قزل‌آلا، اما ساختارهای گذرگاهی اکنون به سدهای رودخانه‌های گرمسیری بزرگ - مانند مکونگ یا شاخه‌های شاخه‌ای از آمازون - اضافه می‌شوند، اگرچه داده‌های بسیار محدودی وجود دارد. یا نمونه هایی از نحوه عملکرد گذر ماهی در این رودخانه ها. آ بررسی 2012 تمام مطالعات بررسی شده در مورد عملکرد عبور ماهی دریافتند که عبور ماهی برای ماهی سالمون بسیار بهتر از سایر انواع ماهی است. به طور متوسط، سازه ها دارای 62 درصد موفقیت برای شنای ماهی قزل آلا در بالادست هستند. این تعداد ممکن است زیاد به نظر برسد، اما بیشتر ماهی ها باید چندین سد را پشت سر هم طی کنند. حتی با موفقیت نسبتاً بالای 62 درصد در هر سد، کمتر از یک چهارم ماهی قزل آلا با موفقیت از سه سد عبور می کند. برای غیر ماهی قزل آلا، میزان موفقیت 21٪ بود - حتی با تنها دو سد، تنها 4٪ از ماهی های مهاجر موفق خواهند بود (به زیر مراجعه کنید). علاوه بر این، اکثر ماهی ها حداقل برای لارو یا بچه ماهیان به مهاجرت به پایین دست نیاز دارند و نرخ عبور به پایین دست اغلب حتی کمتر است.

انرژی آبی دیگر کم‌هزینه‌ترین فناوری تولید تجدیدپذیر نیست. در دهه‌های گذشته، هزینه باد حدود یک سوم و هزینه انرژی خورشیدی 90 درصد کاهش یافته است - و به نظر می‌رسد این کاهش هزینه‌ها همچنان ادامه خواهد داشت. در همین حال، میانگین هزینه برق آبی در دهه گذشته تا حدودی افزایش یافته است، به طوری که باد خشکی اکنون به کمترین میانگین هزینه در بین انرژی های تجدیدپذیر تبدیل شده است.. اگرچه هزینه متوسط ​​آن هنوز کمی بالاتر از انرژی آبی است، پروژه های خورشیدی در حال حاضر به طور مداوم رکورد کم هزینه ترین پروژه انرژی را ثبت کرد.

نیروگاه های آبی بیشترین فراوانی تاخیر و افزایش هزینه را در میان پروژه های زیرساختی بزرگ دارد. مطالعه ای توسط EY نشان داد که 80 درصد از پروژه های برق آبی با مازاد هزینه با میانگین 60 درصد افزایش هزینه مواجه شده اند. هر دوی این نسبت‌ها در میان انواع پروژه‌های زیربنایی بزرگ، از جمله نیروگاه‌های فسیلی و هسته‌ای، پروژه‌های آبی و پروژه‌های بادی فراساحلی، بالاترین میزان را داشتند. این مطالعه همچنین نشان داد که 60 درصد از پروژه‌های برق آبی با تاخیری متوسط ​​نزدیک به سه سال مواجه شدند که تنها در پروژه‌های زغال‌سنگ که تاخیرهای متوسط ​​کمی طولانی‌تری داشتند، از آن بیشتر بود.

نیروگاه های آبی می تواند تولید یا ذخیره سازی انرژی را برای پشتیبانی از انرژی های تجدیدپذیر متغیر مانند باد و خورشید فراهم کند.

باد و خورشید در حال حاضر شکل پیشرو نسل جدیدی هستند که هر سال اضافه می‌شوند و پیش‌بینی‌ها شبکه‌های کم کربن را پیش‌بینی می‌کنند که در آن باد و خورشید اشکال غالب تولید هستند. ولی شبکه های پایدار به بیش از باد و خورشید نیاز دارند، آنها همچنین به ترکیبی از تولید محکم نیاز دارند و ذخیره‌سازی که شبکه‌ها را در طول دوره‌هایی - از دقیقه تا هفته - که در دسترس بودن آن منابع کاهش می‌یابد، متعادل می‌کند. در بسیاری از شبکه‌ها، برق آبی از جمله فناوری‌هایی است که می‌تواند انرژی ثابتی را تامین کند. یکی از انواع نیروگاه‌های آبی - انرژی آبی ذخیره‌سازی پمپ شده (PSH) - در حال حاضر شکل غالب ذخیره‌سازی در مقیاس ابزار در شبکه‌ها (حدود 95٪) است. در یک پروژه PSH، زمانی که برق فراوان باشد، آب در سربالایی پمپ می شود و در مخزن بالایی ذخیره می شود. هنگامی که برق مورد نیاز است، آب به سمت پایین سرازیری به مخزن پایینی جریان پیدا می کند و برق را برای شبکه تولید می کند.

... اما این خدمات اغلب می تواند بدون از دست دادن بیشتر رودخانه های جریان آزاد ارائه شود. تحقیقات متمرکز بر گزینه‌های گسترش شبکه نشان داده است که کشورها اغلب می‌توانند تقاضای برق آینده را با گزینه‌های کم کربن که از سدهای جدید بر روی رودخانه‌های با جریان آزاد جلوگیری می‌کنند، برآورده کنند. سرمایه گذاری بیشتر در بادی و خورشیدی برای جایگزینی انرژی آبی با اثرات منفی بزرگ یا از طریق مکان یابی دقیق نیروگاه آبی جدید که از توسعه سد بر روی رودخانه های اصلی جریان آزاد یا در مناطق حفاظت شده جلوگیری می کند. علاوه بر این، دو مخزن یک پروژه ذخیره سازی پمپ شده را می توان در مکان هایی دور از رودخانه ها ساخت و آب را بین آنها به عقب و جلو چرخاند. محققان دانشگاه ملی استرالیا نقشه برداری کردند مکان های 530,000 در سراسر جهان با توپوگرافی مناسب برای پشتیبانی از ذخیره‌سازی پمپ‌شده خارج از کانال، با تنها بخش کوچکی برای تأمین ذخیره‌سازی کافی برای شبکه‌های تحت سلطه انرژی‌های تجدیدپذیر در سراسر جهان مورد نیاز است. مخازن موجود یا سایر ویژگی ها مانند چاله های معدنی متروکه همچنین می تواند در پروژه های ذخیره سازی پمپاژ استفاده شود.

همه سناریوهای جهانی منطبق با اهداف آب و هوایی شامل دو برابر شدن نیروگاه های آبی نمی شوند. اگرچه چندین سازمان برجسته (مانند آژانس بین‌المللی انرژی و IRENA) که مدل‌سازی می‌کنند که چگونه سیستم‌های قدرت آینده می‌توانند با اهداف اقلیمی سازگار باشند، شامل دو برابر شدن ظرفیت انرژی آبی جهانی می‌شوند، اما همه این سناریوها چنین نیستند. به عنوان مثال، در حالی که مدل های آژانس بین المللی انرژی و IRENA شامل حداقل 1200 گیگاوات ظرفیت جدید برق آبی تا سال 2050 هستند، در میان سناریوهای مورد استفاده توسط هیئت بین دولتی تغییرات آب و هوایی (IPCC) که با 1.5 سازگار است.° هدف C، تقریباً یک چهارم آنها کمتر از 500 گیگاوات برق آبی جدید را شامل می شد. به طور مشابه، یک مدل آب و هوای زمین، همچنین با 1.5 سازگار است° هدف C، تنها حدود 300 گیگاوات برق آبی جدید تا سال 2050 را شامل می شود.

تولید برق آبی بدون سدهای جدید می تواند گسترش یابد سیستم های قدرت می توانند تولید برق آبی را اضافه کنند بدون افزودن سدهای جدید برق آبی به دو روش اصلی: (1) مقاوم سازی پروژه های برق آبی موجود با توربین های مدرن و سایر تجهیزات. و (2) افزودن توربین به سدهای بدون نیرو. آ مطالعه توسط وزارت انرژی ایالات متحده دریافتند که با وجود مشوق‌های مالی مناسب، این دو رویکرد می‌توانند 11 گیگاوات برق آبی به ناوگان نیروگاه‌های آبی ایالات متحده بیافزایند که افزایشی 14 درصدی نسبت به ظرفیت امروزی دارد. اگر پتانسیل مشابهی در کشورهای دیگر در سراسر جهان وجود داشته باشد، این بیش از نیمی از ظرفیت اضافی انرژی آبی جهانی است که در یک مدل آب و هوای زمین تا سال 2050. علاوه بر این، افزودن پروژه‌های خورشیدی شناور بر روی مخازن پشت سدهای برق آبی، که تنها 10 درصد از سطح آنها را پوشش می‌دهند، می‌تواند اضافه کند. 4,000 گیگاوات ظرفیت جدید، قادر به تولید تقریباً دو برابر نیرویی است که امروزه از تمام نیروگاه های آبی تولید می شود.

انرژی آبی در برابر تغییرات آب و هوایی آسیب پذیر است و بر ارزش شبکه های متنوع تاکید دارد. من نویسنده اصلی یک مطالعه این نشان داد که تا سال 2050، 61 درصد از تمام سدهای برق آبی جهان در حوضه هایی با خطر بسیار زیاد یا شدید برای خشکسالی، سیل یا هر دو قرار خواهند گرفت. تا سال 2050، از هر 1 سد برق آبی موجود، 5 سد به دلیل تغییرات اقلیمی در مناطق پرخطر سیل قرار خواهد گرفت، در حالی که امروز 1 در 25 سد است. آ مطالعه در طبیعت تغییر آب و هوا پیش‌بینی کرد که تا اواسط این قرن، تا سه چهارم پروژه‌های انرژی آبی در سراسر جهان به دلیل تغییرات اقلیمی در هیدرولوژی، تولید کاهش خواهد یافت. کشورهایی که به شدت به نیروگاه های آبی وابسته هستند، در برابر خشکسالی آسیب پذیر هستند و در بسیاری از مناطق، این خطر افزایش خواهد یافت. برای مثال، نیروگاه آبی تقریباً تمام برق زامبیا و خشکسالی 2016 در جنوب آفریقا را تأمین می کند. باعث شد تولید برق ملی زامبیا 40 کاهش یابددرصد، باعث اختلالات و زیان های عظیم اقتصادی می شود. این آسیب‌پذیری بر ارزش منابع تولید متنوع در شبکه‌ها تأکید می‌کند.

انرژی آبی همیشه بحث برانگیز نیست، می توان نقاط مشترکی پیدا کرد. در حالی که سازمان های حفاظت از محیط زیست و بخش برق آبی اغلب یک رابطه مناقشه برانگیز داشته اند، نقاط مشترکی را می توان یافت. به عنوان مثال، در ایالات متحده، نمایندگان بخش انرژی آبی، از جمله انجمن ملی انرژی آبی (NHA)، و چندین سازمان حفاظت از محیط زیست، یک "گفتگوی غیر معمول برای انرژی آبی(افشای کامل: من نماینده سازمانم، World Wildlife Fund-US، در این گفتگو بودم). شرکت کنندگان در گفتگوی غیرمعمول توافق کردند که انرژی آبی نقشی کلیدی در آینده انرژی پایدار دارد و حفاظت و احیای رودخانه ها در ایالات متحده باید در اولویت باشد. شرکت کنندگان در گفتگوی غیرمتعارف از قوانین منطبق با دیدگاه مشترک حمایت کردند و لایحه زیرساخت که سال گذشته به تصویب رسید، شامل 2.3 میلیارد دلار برای افزایش ظرفیت نیروگاه های آبی بدون افزودن سدهای جدید بود. (از طریق مقاوم سازی و تامین انرژی سدهای بدون نیرو) و برای حذف سدهای قدیمی برای احیای رودخانه ها و بهبود ایمنی عمومی.