水力发电的原理(水力发电的好处是什么)

水力发电是目前第一大可再生能源，是世界上许多地区的重要电力来源，约占世界电力的24%。巴西和挪威几乎完全依赖水力发电。在加拿大，60%的电力来自水力发电。在美国，2603座大坝生产7.3%的电力，其中几乎一半是在华盛顿、加利福尼亚和俄勒冈州。

使用水力发电引发了两个相互对立的环境问题: 虽然水力发电是可再生的，温室气体排放量比化石燃料低，但它对环境的影响是对本土土地和野生动物栖息地的造成破坏。要应对气候变化和生物多样性丧失这两大危机，就必须在这些关切之间找到适当的平衡。

01 水力是如何发电的

水力发电涉及用水来激活运动部件，这些部件反过来可能运行磨坊、灌溉系统或涡轮机来发电。最常见的是，当水被大坝截住，然后通过连接到发电发电机的涡轮机来发电。然后，水被释放到大坝下面的河流中。罕见的流水式水力发电厂也有水坝，但后面没有水库。相反，涡轮机是由流经它们的河水以自然流速移动的。

最终，水力发电依靠自然水循环来补充水库或河流，使水力发电成为一种可再生过程，几乎不需要化石燃料的投入。化石燃料的消耗与许多环境问题有关: 例如，从沥青砂中提取石油会产生空气污染;水力压裂法开采天然气会造成水污染; 燃烧化石燃料会产生导致气候变化的温室气体排放。

02 水力发电的好处

水电站提供的大量相对可靠的电力，它的主要好处是这些电力既可再生又低碳排放。

1）清洁的可再生电力

水力发电是可再生能源。纵观水电从建坝到用电的整个生命周期，水电产生的温室气体排放量大约是化石燃料的五分之一。 水电可能随季节变化，但它的间歇性远远小于太阳能和风能，预计在可预见的未来，它将作为清洁、可再生能源的可靠来源发挥重要作用。

2）有助于减少能源对外依赖

作为能源组合的一部分，使用水力发电意味着更多地依赖国内能源，而不是在环境法规不那么严格的海外地区开采化石燃料。

3）防洪作用

水库水位可以在预计暴雨或融雪的情况下降低，缓冲危险水位下游的社区。

4）发展旅游业

大型水库常用于钓鱼和划船等娱乐活动，最大的水坝还通过旅游业为当地社区带来收入。例如中国杭州的新安江水库已成为当地著名的风景区（千岛湖）。

03 水电的环境成本

然而，像所有能源一样，无论是否可再生，水力发电都有环境成本。随着应对气候变化的需要使水力发电越来越有吸引力，权衡环境成本和效益对于确定水力发电在电力结构中的未来角色至关重要。

1）破坏土著家园

没有什么比失去祖传的家园对环境的破坏更大了。从环境正义的角度来看，水电大坝长期以来一直被世界各地的许多土著人民视为对他们的土地和文化的殖民，“因为水电项目经常涉及土著人民被迫离开家园。保护土著土地不仅是一个人权问题，也是一个环境问题，因为土著人民照顾着世界上80%的生物多样性。

正如出席在苏格兰格拉斯哥举行的COP26峰会的代表们所证实的那样，尊重土著人民的土地权对于保护土著知识和土著环境管理实践至关重要。保护土著人民的权利是环境保护的核心，而不是与环境保护无关的。

2) 阻碍鱼类洄游

许多洄游鱼类在河流中游来游去完成它们的生命周期。溯河洄游的鱼类，如鲑鱼、鲥鱼或大西洋鲟鱼，游到上游产卵，幼鱼游到下游到达大海。像美洲鳗鱼这样的下游鱼类生活在河流中，直到它们游到海洋中繁殖，幼鳗在孵化后回到淡水中。水坝显然阻挡了这些鱼的通道。一些水坝配备了鱼梯或其他设备，让它们安全通过。这些结构的效果各不相同。

3) 洪水状况的变化

大坝可以缓冲春季暴雨融化后突然出现的大量水。这对下游社区来说可能是一件好事(见下文的好处)，但它也使河流失去了定期涌入的沉积物和自然高流量，从而更新了水生生物的栖息地。为了重建这些生态过程，美国当局定期向科罗拉多河释放大量的水，这对河边的原生植被产生了积极的影响。

4）下游影响

根据大坝的设计，向下游释放的水通常来自水库较深的部分。因此，排出的水全年的温度都很低。这对适应水温大范围季节性变化的水生生物产生了负面影响。同样地，大坝截住了来自分解植被或附近农田的营养物质，减少了下游的营养负荷，影响了河流和河岸生态系统。排出的水中含氧量低会杀死下游的水生生物，但在排水口向水中混合空气可以缓解这一问题。

5）汞污染

汞沉积在燃煤发电厂下风处的植被上。当新的水库形成时，在现在被淹没的植被中发现的汞被释放出来，并被细菌转化为甲基汞。随着甲基汞在食物链上的移动(这个过程被称为生物放大)，它的浓度会越来越高。食用掠食性鱼类的消费者，包括人类，就会暴露在危险浓度的有毒化合物中。例如，在加拿大拉布拉多的马斯克拉特瀑布大坝下游，汞含量正迫使当地因纽特人社区放弃传统习俗。

6）水库蒸发

水库增加了河流的表面积，从而增加了蒸发的水量。在炎热、阳光充足的地区，损失是惊人的: 水库蒸发损失的水比家庭消费的水还要多。当水蒸发时，溶解的盐被留下来，增加了下游的盐度水平，伤害了水生生物。

7）气候变化带来的威胁

蒸发的增加也使水库受到气候变化的巨大损失。干旱是地球气温上升的一个主要因素，因为曾经拥有足够水力发电降雨量的地区越来越多地面临大坝水位低和发电损失的问题。2021年，美国西部的历史性干旱大大降低了水电大坝后面的水库水位。在加州，奥罗维尔大坝的容量下降到正常容量的24%。水力发电量的下降迫使加州公用事业公司增加天然气发电量，进一步加剧了全球变暖。

8）甲烷排放

困在水电大坝后面的营养物质被藻类和微生物消耗掉，从而释放出大量的甲烷，这是一种强大的温室气体。在新建的水力发电项目中尤其如此，因为在大坝的使用寿命增加，甲烷排放量会减少

04 水力发电的未来

虽然建造大型水电站的鼎盛时期可以追溯到20世纪30年代和40年代，但水力发电在发展中国家正在扩大。水力发电的未来将包括新的建设、大坝拆除、升级，以及更清洁的替代成本的下降。

1）水坝拆除

在美国，上世纪70年代之前建造的大坝中，有一半以上已经达到或超过了它们50年的预期寿命，这是该国正在老化的基础设施的一部分。随着老水坝的经济效益下降，而环境成本上升，大坝退役和拆除的数量也在增加。拆除大坝虽然不常见，但已经成为栖息地的成功案例，洄游鱼类种群迅速恢复。

2）改造升级现有水坝

提高现有水电大坝的效率和重新利用现有非水电大坝是在不增加其环境影响(尽管也不会减少)的情况下扩大水电发电的两种方法。在一个试点项目中，美国能源部的水力发电项目提高了三座水力发电厂的效率，每年为当地电网增加了3000多兆瓦时的电力。当今世界上用于发电的大坝不超过10%。将它们重新用于发电，估计可以提供目前全球9%的额外水力发电

3）清洁能源的替代

评估水电对环境的影响不仅包括将其与化石燃料进行比较，还包括将其与化石燃料影响较小的清洁能源替代品进行比较。任何形式的电力生产都有负面影响，但水力发电的温室气体排放量大约是核能、太阳能和风能的十倍。

最近的一项研究估计，太阳能光伏板所产生的电量可以相当于所有2,603座水电站所产生的电量，这些水电站水库面积占美国现有水库面积的八分之一。用太阳能光伏取代这些大坝，87%的土地将回归野生动物，而剩下的13%可以支持太阳能发电。