减少溫室氣體排放、大力發展清潔能源是實現碳中和戰略目標的重要途徑。水電作為現時占比最大的“清潔”能源,具有開發潜力巨大、科技高度成熟和供電靈活穩定等特點。然而,近期越來越多研究表明,水電站在其蓄水發電過程中也會排放大量的CO2、CH4和N2O等溫室氣體(GHGs)。如何通過精確評估全球現存水電站GHGs排放的空間格局和潜在影響機制,進而科學指導未來减排背景下水電站日常管理和選址新建工作,成為該領域的熱點話題。
為深入探究這一話題,中科院地理資源所李明旭博士在何念鵬研究員帶領下,採用蒙特卡洛類比方法系統評估了全球現存水電站(n=1221)的GHGs排放通量、碳排放强度(組織發電量的GHGs排放量)以及關鍵影響因素。研究結果表明,全球現存水電站GHGs排放總量約為0.26 Pg CO2eq. yr-1,約占人為源GHGs總排放的0.7%;全球水電站碳强度約為63.0 kg CO2eq.MWh-1,顯著低於煤、石油和瓦斯等傳統能源,但略高於太陽能、風能和核能等。全球尺度上,水電整體是相對“清潔”、低GHGs排放的;然而,聚焦到單個水電站碳强度分析時,以聯合國公佈的2030可持續發展目標參攷值(80 kg CO2eq.MWh-1)為清潔能源基準,現存水電站中超過44%無法達標。無法達標的水電站主要來自於以下兩類:蓄水深度低於20m的淺水型和葉綠素濃度超過7μg L-1的富營養化水電站。
(圖1.水電站溫室氣體(GHGs)產生和影響機制示意圖)
此外,研究人員結合相關數据集,將全球在建和規劃中的水電站(n=3490)納入分析,發現未來全球水電站GHGs總排放將新增42.0%以上,整體碳强度將顯著增加至131.5 kg CO2eq.MWh-1,超過66.4%的水電站難以滿足2030可持續發展目標之“清潔能源”標準。同時,針對未來水體富營養化名額的情景分析表明,即使不考慮在建和規劃中的這些水電站,如果現存水電站水體葉綠素濃度上升一倍,水電整體碳排放强度將無法達標。囙此,未來水電發展需高度重視水電站庫區GHGs排放問題以降低整體碳排放强度,建議加强日常管理預防水體富營養化、同時新建水電站選址時應儘量避開淺水型河段。
(圖2.全球在建和規劃中水電站的碳排放强度空間分佈)
論文近期線上發表於國際著名學術期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》(IF2=14.89),第一作者為地理所李明旭博士,通訊作者為何念鵬研究員。研究受到國家自然科學基金重點專案和基礎科學中心項目(42141004,31988102,32001186)、第二次青藏高原綜合科學考察項目(2019QZKK060602)等資助。
此外,李明旭博士關於內陸水體溫室氣體排放、碳水准遷移以及基於此自主研發的生態水文過程模型(TRIPLEX-HYDRA),2篇相關研究論文近期發表於國際著名學術期刊《Water Research》。
相關論文目錄(*通訊作者):
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1.Carbon intensity of global existing and future hydropower reservoirs - ScienceDirect
2.Headwater stream ecosystem: an important source of greenhouse gases to the atmosphere - ScienceDirect
3.The significant contribution of lake depth in regulating global lake diffusive methane emissions - ScienceDirect
4.Global patterns of particulate organic carbon export from land to the ocean - Li - 2022 - Ecohydrology - Wiley Online Library
5.Modeling Global Riverine DOC Flux Dynamics From 1951 to 2015 - Li - 2019 - Journal of Advances in Modeling Earth Systems - Wiley Online Library
6.The carbon flux of global rivers: A re-evaluation of amount and spatial patterns - ScienceDirect