Гидроэнергетика лидирует в мире по производству возобновляемой электроэнергии, опередив в 2022 году по объему генерации все остальные возобновляемые источники вместе взятые. Однако, несмотря на вклад в «озеленение» нашей электросети, ГЭС не всегда благотворно влияют на рыбное население рек.
Дамбы, создающие водохранилища, кардинально меняют естественную среду обитания. Для некоторых видов, особенно тех, что мигрируют на большие расстояния, гидроэнергетические объекты становятся опасными или непреодолимыми преградами. В ряде регионов, включая США, Канаду и Европу, правительства вводят меры по защите экосистем от потенциального вреда, наносимого ГЭС.
Новые экологические регламенты вынуждают владельцев старых объектов проводить дорогостоящую модернизацию или вовсе выводить их из эксплуатации. Это серьезная проблема, поскольку вывод ГЭС из сети означает потерю гибкого, низкоуглеродного источника энергии, критически важного для борьбы с изменением климата. Новые технологии, в частности рыбобезопасные турбины, могут помочь энергетикам и регуляторам найти баланс между сохранением здоровья речных экосистем и достижением глобальных климатических целей.
Именно в этот момент на сцену выходят такие компании, как Natel Energy. По словам соучредителя и коммерческого директора компании Джиа Шнайдер, компания начинала с двух главных целей: высокой производительности и выживаемости рыбы.
Компания разрабатывает новые конструкции турбин, которые генерируют электричество, когда вода проходит через оборудование и приводит в движение их лопасти. Скорость движения традиционных лопастей может достигать 30 метров в секунду, или около 60–70 миль в час, отмечает Шнайдер. Когда острые, тонкие кромки движутся с такой скоростью и ударяют рыбу, «довольно очевидно, почему это не приводит к хорошим последствиям», говорит она.
Конструкция турбины Natel нацелена на предотвращение смертельных столкновений рыбы с быстродвижущимися частями. Передняя кромка лопастей утолщена: она вытесняет воду перед собой, создавая зону застоя, или, «по сути, «подушку безопасности» для рыбы», объясняет Шнайдер. Лопасти также изогнуты, поэтому даже при контакте рыба не получает прямого удара.
Компания тестировала свои турбины на различных видах, включая американского угря, американскую кострецу и радужную форель. В одном из недавних исследований с американским угрем ученые обнаружили, что более 99% угрей выжили через 48 часов после прохождения через оборудование Natel. Для сравнения, одно исследование 2010 года показало, что только 40% меченых европейских угрей смогли пройти через турбины ГЭС, хотя выживаемость сильно зависела от размера угря и размера оборудования.
Изменение конструкции турбин не поможет рыбе выжить на всех электростанциях: на самых крупных объектах с самыми высокими плотинами, резкие перепады давления воды могут убивать рыбу. Но Шнайдер утверждает, что технология компании может быть внедрена на половине существующего парка ГЭС в США, делая станции более безопасными для рыбы.
Гидроэнергетика — один из старейших возобновляемых источников энергии. К 2030 году более 20% генерирующих агрегатов в мировом парке будут старше 55 лет, согласно Международному энергетическому агентству. Средний возраст ГЭС в США сегодня составляет около 65 лет.
В США частные гидроэлектростанции лицензируются Федеральной комиссией по регулированию энергетики на срок до 50 лет. По данным Национальной ассоциации гидроэнергетики, к 2035 году на повторную лицензию будет выставлено около 17 гигаватт мощностей гидроэнергетики (этого достаточно для питания 13 миллионов домов) согласно Национальной ассоциации гидроэнергетики США.
С момента запуска многих этих объектов экологические требования существенно изменились, и некоторые станции могут столкнуться с высокими затратами и сложными инженерными работами, пытаясь соответствовать новым правилам и оставаться в строю. Установка сеток для фильтрации рыбы на входе ГЭС — одно из возможных решений в некоторых случаях, но установка и обслуживание такой системы могут повлечь значительные расходы. В таких условиях технология Natel, по словам Шнайдер, является альтернативой.
Natel уже реализовала несколько проектов в штате Мэн, Орегоне и Австрии. Все они включают относительно небольшие турбины, но компания движется к более крупным проектам и недавно выиграла тендер с производственным партнером на поставку для существующей станции турбины большего размера — диаметром три метра, как сообщает Шнайдер. Компания также лицензирует свои рыбобезопасные конструкции турбин существующим производителям.
Переход коммунальных служб на рыбобезопасные конструкции может зависеть от того, как это повлияет на эффективность — долю энергии, которую можно уловить при заданном потоке воды. Конструкции турбин Natel в некоторых случаях будут немного менее эффективны, чем современные стандартные модели, говорит Шнайдер; однако разница незначительна, и они, вероятно, все равно представляют собой улучшение по сравнению с более старыми моделями.
Хотя иногда приходится идти на компромисс между безопасностью рыбы и эффективностью, это не относится ко всем новым турбинам во всех случаях. Исследование Инженерного корпуса армии США 2019 года показало, что одна новая конструкция улучшила безопасность рыбы и одновременно увеличила выработку электроэнергии.
Внедрение новых турбин в ГЭС не решит всех экологических проблем, связанных с этой технологией. Например, новое оборудование будет актуально только для миграции вниз по течению, как, например, когда угри уходят из пресноводных рек в океан для нереста. Для обеспечения прохода вверх по течению по-прежнему потребуются другие решения.
Как отмечает Ана Т. Силва, старший научный сотрудник Норвежского института исследований природы (Norwegian Institute for Nature Research), идеальным решением для многих станций были бы естественные обходы или пандусы, которые обеспечивают свободный проход для многих видов в обоих направлениях. Однако из-за требований к пространству их не всегда возможно установить или использовать.
Люди давно пытаются улучшить проход для рыбы, отмечает Майкл Мильштейн, старший специалист по связям с общественностью в NOAA Fisheries (подразделение Национального управления по исследованию океанов и атмосферы США). Существующие решения включают рыбоходы — каскады бассейнов, по которым рыба может перепрыгивать или проплывать плотины. Более высокие плотины не позволяют использовать этот метод, и рыбу приходится отлавливать и перевозить грузовиками в обход сооружения.
Проблема, по словам Мильштейна, в том, что «каждая река уникальна, и каждая плотина уникальна». Решения приходится адаптировать под каждую конкретную ситуацию; рыбобезопасные турбины становятся наиболее важными там, где нет обходных путей, и прохождение через сооружение — единственный шанс для рыбы.
Вопрос защиты экосистем и обеспечения безопасного прохода для рыбы вызвал ожесточенные споры по поводу существующих проектов ГЭС на западе США и по всему миру.
Даже с учетом передовых технологий, «не всегда возможно обеспечить достаточный проход», — говорит Мильштейн. Несколько плотин в настоящее время снимаются с эксплуатации в реке Кламат (штаты Орегон и Северная Калифорния) из-за их воздействия на местные экосистемы. Плотины кардинально изменили реку, уничтожив среду обитания для местной лосося, стальноголового лосося и миноги, а также создав идеальные условия для паразитов, которые уничтожают популяции рыб.
Но, хотя ГЭС могут негативно влиять на окружающую среду, изменение климата также наносит огромный вред дикой природе, подчеркивает Шнайдер из Natel. Если слишком много ГЭС будут закрыты, это может создать дефицит, который приведет к большему использованию ископаемого топлива в сети, тем самым подрывая усилия по борьбе с изменением климата.
Снижение воздействия гидроэлектростанций на местные экосистемы может помочь обеспечить, чтобы больше из них оставались в строю и продолжали вырабатывать возобновляемую энергию, играющую важную роль в нашей энергосистеме. «Рыбобезопасные турбины не решат всех проблем — в наших реках много всего», — заключает Шнайдер. — «Но нам нужно начинать решать все эти проблемы, и это один из инструментов».
