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13/9/21

水能水库的碳排放:事实与神话

After years of uncertainty, 关于水电碳足迹的科学研究比以往任何时候都更加清晰, write Alain Kilajian, 菠菜评级(IHA)的高级可持续菠菜评级专家Sara Mercier-Blais说, 魁北克大学联合国教科文组织全球环境变化主席研究助理, Montreal (UQAM).  

Alain and Sara are part of the G-res Tool team, 这是一个多利益攸关方研究项目,着眼于世界各地水力发电水库的碳排放. In this blog, 他们研究了最新的科学,以解决有关水电排放的常见问题和误区, in particular reservoirs created by dams.  


我们需要水电来应对气候变化和减少全球碳排放. True or false?

True. 应对气候变化的全球行动以减少碳排放为核心. For the energy sector, this means a rapid switch to, and increase of, 可再生和低碳电力来源,如太阳能, wind and hydropower.  

By replacing coal and natural gas thermal plants, 这些低碳替代品提供了抵消大量向大气排放的能力. Today, 水电的灵活性和储存能力是应对气候变化的必要条件, 因为当与可变可再生能源结合时,它们可以帮助稳定能源生产, 例如,当太阳能和风能由于缺乏阳光或风能而无法使用时.  

Read IHA’s factsheet on hydropower’s carbon footprint 了解使用可再生水电替代化石燃料在全球可避免多少排放.  

水力发电的排放强度中值与风能和太阳能等其他可再生能源相当. True or false?

True. 任何能源的排放强度都是每单位能源产生的温室气体排放量(主要用二氧化碳当量/千瓦时表示)。. 一项使用G-res工具对全球近500座水电站进行的研究菠菜评级,水力发电的中值为23 gco2当量/千瓦时, 这与政府间气候变化专门委员会(IPCC)对 24 gCO2-eq/kWh.

当我们将这个值与其他能源进行比较时, 只有核电和风电的平均生命周期温室气体排放强度低于水电, both about 12 gCO2-eq/kWh. For solar energy, the value is 48 gCO2-eq/kWh. For gas and coal, the values are 490 and 820 gCO2-eq/kWh respectively.

Of course, this is only a median value. In a few rare and extreme cases, 据记载,水电站的排放要高得多, 而其他国家的排放量接近于零,或者可以充当碳汇.

水电站水库不排放温室气体. True or false?

False. 长期以来,人们认为内陆水域(换句话说, rivers, 湖泊和人工水库)不排放温室气体,而只是充当了在陆地和海洋之间运输碳的管道.

We now know that inland waters are actually a source of GHG production. 湖泊和河流排放的二氧化碳比海洋吸收的二氧化碳还要多. By square metre, 湖泊比海洋活跃80倍,比陆地活跃30倍. 由于水库是人造湖泊,它们也是温室气体转化的来源.  

More up-to-date knowledge showed that in reality, despite common belief, hydropower reservoirs do emit GHG. 这些排放主要来自将有机物分解成温室气体的微生物过程. 还应该指出,储层中的碳处理有两种方式, both emitting and absorbing emissions. 这就解释了为什么在有限的情况下,水库可以充当 carbon sinks.

水电站蓄水项目往往比径流式水电站排放更多的废气. True or false?

True. 蓄水工程和径流工程的主要区别在于建造水库. 蓄水工程需要一个水库来储存水,以备需要电力时使用,同时还要有一个径流式电站, 利用河流的自然流动来产生能量, has no or minimal water accumulation.

When a reservoir is created, 陆地环境被洪水淹没,转变为水生环境. 洪水对系统的温室气体排放有多重影响.

First, when new land is flooded, more carbon, mostly from the flooded soil, 可以转化为温室气体排放吗. Second, 当水流变慢并开始在水库中积聚时, 水生细菌有更多的时间将可用的碳转化为温室气体排放. More carbon and more time equals more emissions.

最后,水在蓄水池里停留的时间越长(i.e. 它的停留时间),就越倾向于在表面升温,而在底部保持寒冷. 这个温度梯度可以产生我们称之为a的东西 thermocline 对CO2和CH4等小分子起到物理屏障的作用. Above the thermocline, 就会有含氧充足的水,碳可以与大气中的氧气混合,产生二氧化碳. Below the thermocline, 你可以有一个缺氧的环境(没有氧)在那里碳转化成CH4,因为它作为一个屏障, 在储层深处产生的CH4就留在那里. So, 如果一个项目的取水口位于温跃层之下, CH4将通过涡轮向下游释放,这个过程我们称之为 degassing.  

脱气是与储层相关的四种排放途径之一. 其他三种分别是CH4鼓泡、CO2扩散和CH4扩散. 而径流植物可能仍然有不同的排放与不同的途径, 由于径流电站的蓄水时间较短,而且蓄水的土地面积较小,因此这些项目的蓄水面积往往低于蓄水工程.

All tropical reservoirs have high emissions. True or false?

False. It is well known and documented 热带地区由于年平均温度较高,水库的温室气体排放往往更高. 这创造了一个神话,即所有热带水库都有高排放.  

温度只是影响储层碳足迹的众多因素之一. The time water spends in the reservoir, 水淹土壤中碳的含量和水库浅层的碳含量都对水库的温室气体排放剖面有贡献.  

For example, 在热带地区,一个巨大但非常深的储层产生大量的能源,最有可能产生的单位能源的碳足迹很低.  

清除蓄水区的植被可显著减少水库的排放. True or false?

False. 而大多数人认为被洪水淹没的树木和植被是蓄水区碳的主要来源, this is in fact not the case. 大部分碳实际上来自土壤,更具体地说,来自土壤表层的10厘米.  

主要原因是,来自地面生物量的碳比土壤中的碳更难被细菌分解. 一个明显的例子是法属圭亚那的Petit Saut水库,那里被洪水淹没的树木在蓄水30年后仍在收获. 有时洪水淹没的森林甚至可以为水库中的鱼类提供重要的栖息地.

据记载,清除植被可以改善水库的水质. 但为了使清理工作有效,所有的材料都需要处理掉. This brings its own challenges as burning, the option most often considered, 有非常重大的影响和出口生物质是不实际可行的, especially for large reservoirs.  

野外采样是估算水电排放的唯一方法. True or False?

False. With advances in scientific understanding 以及与水库温室气体排放有关的数据, 我们现在有了无需直接到现场就能预测排放量的知识.  

One example is the GHG Reservoir (G-res) Tool. The G-res Tool 使用由该领域专家创建的概念框架,将最新科学集成到一个在线界面中,以估计水库的温室气体排放. 这些工具可以帮助水电公司和研究人员估计和报告水库的净温室气体排放,而不需要进行昂贵的实地取样活动. 在预可行性阶段,它们作为避免高排放项目的筛选工具尤其有价值.  

水电工程建成后,水库减排是不可能的. True or false?

False. 尽管在项目的设计阶段更容易实施碳减排措施, 有一些创新的方法,水电业主可以减少水库排放,即使他们的项目已经建成.  

Below are a few examples:

  • Changing operating level. 浅海面积是影响水库温室气体排放的多种因素之一. 更多的沿海地区意味着更多的CH4产生,也就意味着更多的温室气体排放. In some cases, 改变运行水平可以减少浅滩面积,从而减少水库的温室气体排放量.
  • Installing aerating devices. 可以安装曝气装置,以增加水中的溶解氧,减少下游CH4的释放量.
  • Adding a secondary intake above thermocline. 随着时间的推移,水电运营商往往需要翻新他们的资产. 任何主要的翻新项目都有机会在温跃层(或多级水入口)上方增加一个二级进水口,以循环含氧水通过涡轮机,减少脱气量.
  • Converting methane emissions into energy. A research study 是否探索了从储层中回收生物成因甲烷并将其转化为潜在能源的可能性. 他们建议,回收的甲烷可以直接泵入大型消耗中心, 储存在当地,由燃气轮机燃烧发电或净化后用于运输. 这种方法既减少了排放,又提供了额外的能源来源.  

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