Самая мощная возобновляемая энергия

Самый надежный возобновляемый источник энергии в мире — это не ветер или солнечный свет, а вода. В прошлом году мировая мощность гидроэлектроэнергии достигла рекордных 1308 гигаватт (для сравнения: всего один гигаватт эквивалентен мощности, производимой 1,3 миллионами скаковых лошадей или 2 000 разгоняющихся корветов). Коммунальные предприятия по всему миру полагаются на гидроэнергетику для выработки электроэнергии, потому что она дешевая, ее легко хранить и отправлять, а также производить без сжигания топлива, что означает, что она не будет выделять углекислый газ или загрязняющие вещества, как электростанции, сжигающие ископаемое топливо, такое как уголь или природный газ. 

Однако, как и в случае с другими источниками энергии, гидроэнергетика связана с экологическими издержками. Помимо глубокого воздействия на экосистему создания плотин и отвода огромных водных путей, гидроэнергетика может нанести ущерб местным водным видам и их экосистемам. Большинство водосборных бассейнов по всему миру, некоторые из которых эксплуатируются на гидроэлектростанциях более века, сильно деградированы, с загрязненными водными путями и устаревшими технологиями. Традиционные водоемы часто представляют собой стоячие водоемы; из-за этого они часто являются местами вредоносного цветения водорослей, которые токсичны для людей, рыб, моллюсков, морских млекопитающих и птиц.

Крупные гидроэлектростанции не только серьезно изменяют водоток, но и могут стать зоной смерти для рыб. Быстро вращающиеся лопасти турбины могут не только затруднять их миграционные пути, но и перерезать их. Если они пройдут мимо лопастей, внезапные изменения давления могут убить рыбу.

Можно ли получать чистую возобновляемую энергию из рек, одновременно восстанавливая природу и среду обитания в целом? Инженеры пытались изменить будущее гидроэнергетики с помощью безопасных для рыбы турбин. Калифорнийская компания Natel Energy в партнерстве с инвестиционной фирмой Breakthrough Energy Ventures основателя Microsoft Билла Гейтса создала новую турбину с тупыми краями, которая улучшает выживаемость рыб. Помимо спасения рыбы, турбина Natel направлена ​​на создание устойчивой к климатическим условиям гидроэнергетики, способной противостоять капризам непредсказуемых осадков.

Вопросы охраны природы

«Задача, которую мы решаем, заключается в том, как использовать великие атрибуты гидроэнергетики как возобновляемого источника энергии — ее надежность и управляемость — при одновременном снижении воздействия на окружающую среду и затрат», — говорит Абэ Шнайдер, технический директор Natel и инженер-механик по образованию. — «Безопасная для рыбы, компактная, высокопроизводительная турбина делает именно это; в сочетании с более точной информацией о том, сколько воды и когда будет протекать, все решение будет работать вместе, чтобы создать современную гидроэнергетическую систему».

Традиционные гидроэлектростанции работают, используя силу и давление воды, текущей из верхней точки в нижнюю по желобам в плотине. Рядом с дном желоба находится турбина; вода вращает турбину, которая создает энергию, которая может передаваться на предприятия и дома. Но это также основной проход для мигрирующих рыб, таких как лосось или угорь, которые могут попасть в тонкие острые лезвия механизма.

В турбине Natel, напротив, используются изогнутые толстые лопасти; благодаря своей конструкции, турбина может удвоить допустимую скорость удара, что позволяет использовать турбину относительно небольшого и недорогого размера, которая также обеспечивает безопасный проход мигрирующей рыбы. Конфигурация вертушки (вместо спиц, выходящих прямо из ступицы турбины) означает, что лопасти турбины наносят скользящий удар вместо удара ножа. 

«С инженерной точки зрения толстое лезвие создает зону давления, которая помогает сбрасывать материал с его пути, почти как подушка безопасности для рыбы, поэтому воздействие минимально», — говорит Абэ. 

Эта конструкция также устраняет необходимость в «мусорном шкафу» — тонком экране, традиционно используемом для захвата мусора на входе в турбину, часто устанавливаемом для того, чтобы держать мелкую рыбу вне оборудования.

Устойчивость к изменению климата

Абэ стал соучредителем компании Natel Energy вместе со своей сестрой Гией Шнайдер, также инженером и генеральным директором компании; вместе они признали, что традиционный подход к гидроэнергетике не подходит для современных условий, потому что сами погодные и дождевые режимы меняются. Поскольку продолжительная засуха или наводнение угрожают регионам по всему миру, а изменение климата вызывает необычные погодные условия, переосмысленная форма гидроэнергетики Natel может фактически сделать водосборные бассейны более адаптируемыми.

«Изменение климата — это изменение воды», — объясняет Гиа. — «Мы увидели возможность переосмыслить гидроэнергетические объекты с помощью методов гражданского и экологического строительства, использования безопасных для рыбы турбин, машинного обучения и спутниковых изображений». 

Действительно, экстремальная изменчивость климата из года в год и непредсказуемые осадки только сделают инновационные решения более актуальными. При рациональном использовании гидроэнергетика может работать как источник зеленого топлива с рядом побочных преимуществ, включая борьбу с наводнениями, орошение, смягчение последствий засухи и водоснабжение.

Турбина Natel работает в паре со спутниковой технологией, которая позволяет операторам гидроэлектростанций отслеживать изменение условий водораздела, таких как весенний «зеленый подъем» (то есть когда тает снег и растения начинают расти), и более точно прогнозировать сток воды. По мере изменения условий на земле это программное обеспечение использует машинное обучение для создания моделей окружающего ландшафта в реальном времени, что, в свою очередь, позволяет более точно прогнозировать уровень воды.

«Эта… концепция очень важна для будущего гидроэнергетики, потому что она обеспечивает экологически устойчивую альтернативу более традиционным гидроэнергетическим системам», — говорит Стивен Амарал, главный биолог по рыбному хозяйству в Alden Research Labs в Массачусетсе. 

Alden Labs занимается решением инженерных и экологических проблем, связанных с потоками, в различных отраслях. В прошлом году компания провела серию испытаний на удар лопастью с использованием специально разработанного устройства, которое позволило им подвергнуть анестезированную рыбу воздействию лопастей турбины различной скорости и геометрии. 

«Наши последние испытания проводились с турбинами Natel», — говорит Амарал. — «Мы смогли продемонстрировать, что выживаемость рыб была улучшена с помощью [турбины]». 

Концепция Natel, получившая название Restoration Hydro, отходит от обычных больших плотин к более распределенному подходу, основанному на биомимикрии. До вмешательства человека и создания акведуков и каналов большинство рек Северной Америки было забито древесным мусором и бобровыми плотинами. Каскады, имитирующие бобровые структуры, замедляют движение воды, создавая небольшие пруды и болота; это дает достаточно времени для просачивания воды в почву, что, в свою очередь, повышает уровень грунтовых вод. Более высокий уровень грунтовых вод означает больше запасов грунтовых вод, что помогает водоразделам выдерживать длительные периоды засухи.

Эти связанные распределенные системы специально разработаны для восстановления связи рек для рыб и других диких животных, улучшения водоснабжения и санитарии и производительности сельского хозяйства, а также поддержки средств к существованию и социально-экономического развития местных сообществ, что делает систему Natel очевидным выбором для развивающихся стран. 

«Наш подход — распределенный», — говорит Гиа, — «с небольшими индивидуальными проектами, которые объединены в группы, работающие согласованно, чтобы мы могли вырабатывать гидроэлектроэнергию без больших плотин».

Поскольку гидроэлектростанции могут генерировать электроэнергию в сеть немедленно, они обеспечивают необходимую резервную мощность во время крупных отключений или перебоев в электроснабжении (водная энергетика фактически была очень востребована во время кризиса Covid-19, поскольку производство электроэнергии было мало затронуто из-за степени автоматизации современных объектов).

Хотя турбина Natel Energy все еще находится на начальной стадии, она уже введена в эксплуатацию: компания открыла свою первую гидроэлектростанцию ​​в 2019 году в США, а вторая находится в стадии строительства, а ввод в эксплуатацию запланирован на конец этого года. По мере того, как компании во всем мире стремятся перейти на энергосистему с низким или нулевым выбросом углерода, улучшенные турбины могут помочь в достижении высокой надежности и накопления энергии, повышая устойчивость к изменению климата, сохраняя при этом возможность лосося плавать вверх по течению.