Vattenkraft är världens främsta källa till förnybar energi, producerar hela 16 procent av den globala energiförsörjningen. Men vattenkraft är inte utan sina miljökostnader, särskilt när det gäller mark som drunknar under reservoarer eller tappas av vägar och kraftledningar byggda för ett vattenkraftprojekt. Nu, ett team av norska forskare har utvecklat ett innovativt sätt att beskriva hur mycket mark som krävs för att generera en kilowattimme el från vattenkraft. Målet är att göra det lättare för beslutsfattare och företag att bedöma miljömässiga avvägningar av nuvarande vattenkraftverk och involverade i investeringar i nya vattenkraftverk.

"Vissa vattenkraftsreservoarer kan se naturliga ut till en början. Men, de är påverkade av människor, och om land har översvämmats för deras skapelse, detta kan påverka terrestra ekosystem, "sa Martin Dorber, doktorand vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitets (NTNU) program för industriell ekologi.

Det råder bred enighet om att en ökning av mängden el som världen får från förnybar energi som vattenkraft är nyckeln till att bekämpa globala klimatförändringar. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) granskar denna fråga i en särskild rapport om förnybara energikällor och klimatförändringar. Organisationen säger att regeringar och industri måste inkludera de långsiktiga miljökonsekvenserna av vattenkraft i nuvarande och framtida projekt. På det sättet, de kan identifiera de miljömässiga kompromisser som kommer att bli resultatet av att utöka vattenkraftproduktionen.

Dorber och hans kollegor Francesca Verones från NTNU:s industriella ekologiprogram, och Roel May från det norska instituttet for naturforskning insåg att de hade det perfekta verktyget för att kvantifiera miljöeffekterna av vattenkraftproduktion. Det är ett analysverktyg som kallas Life Cycle Assessment (LCA). LCA ger forskare en metod för att titta på alla miljöpåverkan av en produkt eller process under dess livscykel. Det betyder att de börjar från början, från tillverkningen av föremålets komponenter, till när produkten eller processen skapas och används, och slutligen till när den inte längre används och återvinns eller på annat sätt kasseras. Tanken är att ge en bild av den totala miljökostnaden för något.

Som ett exempel, om du skulle göra en livscykelbedömning av en ölburk, du skulle behöva veta allt som börjar med miljökostnaderna för att bryta råvaran (bauxit), skicka den för att göras till aluminium, tillverkningen av själva burken, och vad som krävs för att återvinna det efter att det har använts. Det är komplicerat, men forskare vid NTNU:s program för industriell ekologi har fulländat detta tillvägagångssätt för hundratals olika produkter och processer.

En av de potentiella miljöeffekterna av vattenkraftsutbyggnad är vad den kan göra för den biologiska mångfalden. Det kan förändra sötvattenmiljön, försämra vattenkvaliteten, och ändra markanvändning genom att översvämma mark för reservoarer, och från konstruktionen av dammen och kraftledningarna och tillfartsvägarna som projektet behöver. Forskarna insåg att det inte finns tillräckligt med information ännu för att LCA ska kunna bedöma alla dessa effekter från vattenkraft, så de bestämde sig för att fokusera på en nyckelfråga:markanvändning och förändrad markanvändning.

"Markanvändning och förändring av markanvändning är en nyckelfråga, eftersom det är en av de största drivkrafterna för förlust av biologisk mångfald, eftersom det leder till förlust och försämring av livsmiljöer för många arter, sa Dorber.

Översvämmande naturliga sjöar

Det första steget för forskarna var att genomföra vad som kallas en livscykelinventering, genom att räkna ut hur mycket mark som används för att producera en kilowattimme el. Eftersom Norge är en av de 10 bästa vattenkraftsproducenterna i världen, med mer än 95 procent av all inhemsk kraftproduktion från vattenkraft, forskarna insåg att de behövde skapa en inventering specifik för Norge.

Det finns databaser som försöker tillhandahålla denna information, men den största av dessa hade bara uppgifter om vattenkraftproduktion för Schweiz och Brasilien. Och ingen av databaserna redogjorde för vattenområdet i en naturlig sjö som kan ha översvämmats för att göra vattenreservoaren, sa forskarna. "De flesta av de norska vattenkraftsreservoarerna skapas genom att naturliga sjöar upptäcks, " sa Dorber. "Så om vi tillämpade informationen från databaserna som inte tar hänsyn till vattenområdet i en naturlig sjö, som skulle leda till en grov överskattning av miljöpåverkan."

Problemet är, det finns minimal information om storleken på sjöarna som översvämmades för att skapa Norges 1289 vattenkraftreservoarer. Så forskarna hittade ett sätt att uppskatta vilka ursprungliga sjöstorlekar som skulle ha varit - med hjälp av satellitbilder.

Lyckligtvis, forskarna hade tillgång till två utmärkta informationskällor för att göra sina uppskattningar. Den första var mätningar av de faktiska reservoarytorna vid deras högsta reglerade vattennivå, tillhandahålls av Norges vattenresurs- og energidirektorat (NVE). Den andra var gratis, nedladdningsbara satellitbilder från NASA-USGS Global Land Survey datamängd, där de använde bilder från 1972-1983 för Norge. Forskarna använde också flygfotografier efter behov från en internetportal som heter Norge i Bilder, som tillhandahåller flygbilder för Norge redan 1937.

Bildernas datum spelar roll, eftersom forskarna behövde kunna se marken innan vattenkraftsprojekten byggdes. Det innebar att de bara kunde bedöma vattenytor innan dammbygget för vattenkraftverk byggda på eller efter 1937 för det område som omfattas av flygfoton, och för dammar som byggdes 1972 eller senare för det område som täcks av Landsats foton. Som ett resultat, de kunde bara beräkna hur mycket mark som översvämmades för totalt 184 vattenkraftsmagasin.

Av olika anledningar, de kunde inte använda data för 77 reservoarer som de hade landområdesinformation för. I slutet, de kunde beräkna markockupationen av reservoarer som stod för ungefär 20 procent av den totala genomsnittliga årliga vattenkraftsel som producerades i Norge mellan 1981 och 2010. "Genom att dividera det översvämmade landområdet med den årliga elproduktionen för varje vattenkraftsreservoar, vi beräknade platsspecifika nettomarkockupationsvärden för livscykelinventeringen, " sa Dorber. " Även om det ligger utanför ramen för detta arbete, vårt tillvägagångssätt är ett avgörande steg för att kvantifiera effekterna av vattenkraftens elproduktion på biologisk mångfald för livscykelanalys. "

Dorber påpekar att deras tillvägagångssätt skulle kunna användas av andra länder som ville veta mer om vattenkraftens effekter på miljön, eftersom Landsats data täcker hela världen och är fritt tillgänglig. Och när de jämförde den norska informationen de genererade med den vattenkraftinformation de hade från Schweiz och Brasilien, de såg hur olika effekterna är i de olika länderna.

"Den genomsnittliga markockupationen i vår studie för alla vattenkraftverk vi tittade på är 0,027 m2· år/kWh och är större än de befintliga 0,004 m2· år/kWh i databasen för Schweiz, " sa Dorber. "Men, när vi justerade markockupationsvärdet för att hantera osäkerheter, den justerade genomsnittliga markupptagningen (0,007 m2 · år/kWh) är lägre än vår genomsnittliga markupptagning (0,027 m2 · år/kWh) och är därmed närmare befintliga 0,004 m2 · år/kWh i Ecoinvent -databasen. ”

Att veta hur mycket mark som var ockuperad när en damm byggdes kan också hjälpa till att beräkna hur mycket vatten som går förlorat i genomsnitt till avdunstning, som kan påverka akvatiska ekosystem genom att minska mängden vatten som frigörs från dammen. Och eftersom skapandet av vattenkraftsreservoarer leder till en initial ökning av utsläppen av växthusgaser från nedbrytningen av organiskt material som översvämmades av reservoaren eller spolas in i reservoaren, informationen kan också användas för att beräkna nettovattenförbrukning och nettoutsläpp av växthusgaser för livscykelinventeringen, sa Dorber.

"Vi har visat att fjärranalysdata kan användas för att kvantifiera förändringen av markanvändningen som orsakas av vattenkraftreservoarer. Samtidigt visar våra resultat att förändringen av markanvändningen skiljer sig från vattenkraftreservoarer, " sa Dorber. "Därför, mer reservoarspecifik bedömning av markanvändningsändringar är en nyckelkomponent som behövs för att kvantifiera de potentiella miljöpåverkan i samband med vattenkraftreservoarer. "