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    研究:用太陽能取代全美水力發電 土地需求僅水庫面積13%

    翻譯/姜唯;審校/林大利;稿源/Carbon Brief

    根據一項新研究,理論上,用太陽能板取代全美的水力發電廠,只需13%的空間。研究人員表示,這個少得驚人的數字顯示,逐步淘汰水力發電這種號稱再生、卻會嚴重破壞生態系統的能源生產方式,其實是個有吸引力的選項。

    目前,水力是美國電力結構很重要的一部分,佔6%以上,提供其他再生能源缺少的彈性。但隨著現有水力發電站接近壽命終點,以及影響環境的風險日益增加,美國可能有越來越多水壩被淘汰。如果不繼續蓋水壩,就需要以其他技術取代,而這份發表在「自然永續性」(Nature Sustainability)期刊的新研究主張,大規模推廣太陽能是一個潛在的選項。

    作者強調本研究為「純理論」,但考量水壩對美國河道的壓力,仍值得考慮用其他再生能源作為替代方案。

    Rafael Kaup攝,美國能源部提供

    大型水壩為環境帶來「嚴重傷害」

    水壩在美國已有超過一個世紀的歷史,世界上第一座水力發電廠於1882年在威斯康辛州開始運作。1940年,水力發電佔全美發電量的40%。

    今天,許多發展中國家正試圖複製這種快速成長模式。安哥拉、緬甸等國家正投資大型水力發電計畫,以號稱比化石燃料還要環保的方式發電。

    然而在已經有水力發電廠的地區,對水壩帶來的副作用的反應卻越來越強烈。

    研究主持人、紐約城市大學水域保育生物學家沃德曼(John Waldman)指出,許多環保人士認為水壩是「河流的血栓」,對生態系統造成了「嚴重傷害」 。

    他說,最典型的受害動物是洄游魚類,如鮭魚和鰣魚,由於遷徙路徑受阻,部分地區洄游魚類下降了幾個數量級。

    水壩也會導致當地生物多樣性下降、沉積物增加,當水庫中的水變暖時,河水溫度也隨之發生變化。

    水壩甚至會成為碳排放源,因為淹水的大片土地會導致水中微生物排出甲烷和其他溫室氣體。

    因此,過去的30年間美國已經拆除了1000多座水壩,科學家也發現狀況有顯著的改善。

    世界自然基金會(WWF)全球淡水科學家歐普曼(Jeff Opperman)博士表示,拆除大壩是解決淡水物種「急遽減少」最有效的方法之一。20年前緬因州肯納貝克河上的愛德華茲大壩被拆除後,河中產卵的鯡魚數量增加了近百倍。

    水力發電為電網帶來的「調度彈性」

    目前為止美國已拆除的水壩對國家整體電力組合的貢獻相對小,但如果打算拆除更大的水壩,勢必得找到替代方案。

    這可能不是很容易,因為水壩提供了必要的電網服務。美國能源部的水力發電願景報告預測,水力發電對電網規劃和營運的貢獻未來將會增加,「具體來說,水力發電可以快速根據電力負載和發電設備之間的差異迅速增加和減少發電量,這有助於將其他再生能源(如風能和太陽能)整合到電網中。」

    但隨著美國許多老舊水壩的利潤減少並且壽命即將結束,沃德曼說其他再生能源可能可以取代部分老化的水壩,甚至提供部分的穩定性。

    Karl Specht攝,美國能源部提供

    大規模更換

    在他們的「思想實驗」中,沃德曼和團隊利用美國陸軍工程兵團的國家水壩庫存資料,來確定需要多少公頃的工業規模光伏(PV)電池才可取代現有水壩所產生的電力。

    他們計算出,如果美國本土所有2,603個水壩(即夏威夷和阿拉斯加以外的48州)都被拆除換成太陽能電池板,將只佔其水庫所覆蓋面積的13%。

    在部分地區,這個差異特別明顯。像佛羅里達目前四座水壩共26,520公頃,換成太陽能板不過一個紐約中央公園的面積(339.94公頃)。

    作者表示他們沒有考量安裝太陽能板的成本,因為成本和地點高度相關。

    沃德曼表示,這麼做的整體正效應是換回自由流動的河流,替代的再生能源也不必只有一種,「放乾一個水庫可以換回大片的土地。可以在水庫底下鋪太陽能板,也可以放些在水面上漂...水庫通常在山谷裡,也許能延著山脊架設風機,也許利用流體動力學或分流方法獲取一些水能而不會阻擋河流。」

    然而,雖然將美國400萬公頃的水庫縮小到一個達拉威州(美國第二小的州)的面積聽起來似乎很吸引人,但沃爾德曼承認,對於許多水壩而言,這根本不可行。尤其水壩經常提供重要的額外社會效益,包括飲用水供應、防洪和娛樂活動。沃爾德曼指出,「儘管我知道我們永遠不可能拆除美國2,603座水壩,但在有所選擇時,還是有很大的空間可以往這個方向考慮。」

    而且,儘管太陽能板佔用的空間較小,還是有其他潛在問題,像是可能會破壞棲息地並導致生物多樣性流失。「根據定義,以前的水庫將沿著河流興建,而那些土地......通常是野生動植物最有價值的棲息地,也往往是重要的休閒娛樂場所。」

    針對這些問題,作者指出過去的研究顯示,和其他形式的發電相比,太陽能發電的危害較小。他們也指出,用太陽能取代水力發電可以不要在水庫進行。

    彌補電網的不足

    國際水電協會溝通主任亨利(Will Henley)表示,水力發電廠的穩定性不太容易被太陽能取代,建議採用整合兩種形式的發電系統:「與其用太陽能取代水力發電,更永續的方法是優先考慮水力發電現代化投資,結合兩種技術優勢。今日太陽能板可以安裝在水庫表面或與水庫相鄰,增加而非取代整體水庫發電量。」

    沃德曼說,雖然水力發電確實提供了關鍵的電網服務,但它們提供的電力也並非總是一致,而且可能受乾旱等氣候現象的影響,不如用一系列替代再生技術建立「能源公園」,利用水力發電廠的現有電力線,還具備「光靠水力發電不足以提供的穩定性」。

    基於這些機會,對許多有豐富太陽能資源的發展中國家來說,單一大型水力發電廠規劃其實是「重大錯誤」,可能破壞自然水道。然而在美國,歐普曼說這個問題幾乎沒有實際意義,因為全美各地的老水壩和老化中的大壩都沒有對電力做出重大貢獻,讓許多河流恢復自由流動,不需要拆除大型重要水電大壩。

    ※ 全文及圖片詳見:Carbon BriefCC BY-NC-ND 4.0

    ※ 論文資料: Waldman, J. et al. (2019) Solar-power replacement as a solution for hydropower foregone in US dam removals, Nature Sustainability, https://doi.org/10.1038/s41893-019-0362-7

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