ВЕЦ-овете били скрит източник на метанови емисии. А учени опитват да извличат този ресурс

Отнема само една секунда, за да се заредят четири плувни басейна с олимпийски размери с вода през турбините на язовира Tucuruí в северна Бразилия. Приливът на вода тук в един от най-големите водноелектрически резервоари в региона на Амазонка е оглушителен, но това прави язовира петата по големина електроцентрала в света.

Докато водата се движи през поредица от 25 турбини и преливници на язовира обаче, се случва нещо друго – тя отделя парникови газове.

Често считани за една от най-старите форми на възобновяема енергия, водноелектрическите язовири и техните резервоари са отговорни за изпускането на почти един милиард тона метан в атмосферата, когато водата се приближава и след това преминава през турбините, които генерират електричество. Метанът е парников газ, който е повече от 80 пъти по-мощен от въглеродния диоксид за 20-годишен живот, но също така се разгражда по-бързо в атмосферата от CO2.

Тези скрити емисии означават, че водноелектрическата енергия може би не е толкова чиста, колкото изглежда на пръв поглед, коментира BBC.

Причината е, че не само водата преминава през турбините – много разтворени парникови газове също преминават през тях. Точно както въглеродният диоксид се разтваря в нашата газирана вода, докато е под налягане, така и газът метан се разтваря в големи водни тела при определени условия.

Сега си представете, че държите бутилка газирана вода. Преди да го отворите, не виждате никакви мехурчета вътре, защото въглеродният диоксид остава разтворен. Когато отворите капака, чувате шумящ звук, тъй като налягането се освобождава и мехурчетата въглероден диоксид се издигат нагоре. Първо разклатете тази вода и това ефервесцентно "дегазиране" най-вероятно ще накара газираната ви напитка да избухне навсякъде.

Нещо подобно се случва с метана, разтворен във водата от езерата, когато се разбива в турбините.

От 51 милиарда тона парникови газове, отделяни от хората всяка година, три милиарда тона от тях са от метан, който излиза от водата. Когато водата се размърда, метанът излиза от разтвора и се превръща в мехурчета газ. И един от най-големите източници на този дегазиращ метан е нещо като изненада – водноелектрически язовири като Tucuruí.

Но сега има надежди, че е възможно да се улови този метан, преди да избяга в атмосферата, и да се използва като източник на енергия.

Заплахата от метана

Метанът е отговорен за около 30% от глобалното затопляне след индустриалната революция, според Международната агенция по енергетика. Ограничаването на емисиите на метан е идентифицирано като ключова стратегия за краткосрочни действия срещу изменението на климата.

„След около 12 години метанът може да се окисли и да стане въглероден диоксид, така че ако намалим емисиите на метан днес, можем да окажем влияние върху глобалното затопляне в рамките на нашия живот“, казва Луиз Парлонс Бентата (Louise Parlons Bentata), главен изпълнителен директор и съосновател на Bluemethane.

Около 150 страни се присъединиха към Global Methane Pledge, който има за цел да намали емисиите на метан от човешката дейност с 30% от нивата от 2020 г. до 2030 г.

Въпреки че намаляването на използването на изкопаеми горива е част от решението (40% от емисиите на метан идват от енергийния сектор (т.е. нефт и газ), метанът идва и от много други източници, включително едър рогат добитък.

Все още по-малко известен е значителният принос на водните тела към тези емисии. Метанът се произвежда и в седименти от сладка вода, когато богатата на въглерод органична материя се разлага от микроби в отсъствието на кислород – това включва естествено срещащи се тропически блата, торфени блата и подгизнали почви. С всички тези природни източници техният статут на източник или уловител на парникови газове като метан може да бъде добре дошъл за климата или пък опасен в зависимост от практиките за използване в земеделието при изменението на климата.

След това има създадени от човека водни източници на метан, включително пречиствателни станции за отпадъчни води и отглеждане на ориз. Във всички тези източници бактериите са отговорни за разграждането на органичната материя и освобождаването на метан.

И тогава, разбира се, има язовири и техните резервоари. Резервоарите допринасят за 22 милиона тона метан годишно – малко по-малко от две трети от метана, произведен при производството на ориз или пречистването на отпадъчни води (35 милиона тона от всяка индустрия). Метанът идва от разлагащата се органична материя на дъното на водното тяло. В резервоарите, както и в пречиствателните станции, когато тази вода се разбърка, тя се оттича.

Потенциален източник на енергия

Вътре в 20-футов (6 м) ръждивочервен контейнер в университета Кранфийлд водата се спуска през поредица от тръби и контейнери под действието на гравитацията. Тук Луиз Парлонс Бентата, главен изпълнителен директор и съосновател на Bluemethane, разработва технология, която улавя метан от водни тела като резервоари и пречиствателни станции за отпадни води. Метанът е основният компонент на изкопаемия природен газ и може да се изгаря като енергиен ресурс.

Бентата се надява, че нейната технология може да улови мехурчета от метан, докато се движат нагоре към повърхността, като го насочи, за да бъде събран за използване като неизкопаем източник на биогаз.

Комерсиализирането на технологията Bluemethane е подложено на изпитание в United Utilities, водна компания в северозападната част на Обединеното кралство: „Компаниите за отпадъчни води вече използват анаеробно храносмилане, те вземат твърди отпадъци и ги разбъркват без кислород, за да създадат метанов биогаз и накрая течността все още има доста разтворен метан в нея", обяснява тя. „Компанията вече имат генератори за биогаз и използва енергия за захранване, така че не променяме нищо драматично.“

Следователно тази модулна патентована технология може да бъде лесна за инсталиране в рамките на съществуваща инфраструктура, позволявайки на индустрии, произвеждащи високо органично натоварване, като пречиствателни станции, пивоварни и производители на целулоза, да генерират повече енергия на място, като същевременно намаляват емисиите. И вместо водата да се изпомпва активно, методът на Бентата и нейния съосновател Нестор Руеда-Вайехо (Nestor Rueda-Vallejo) позволява на гравитацията да свърши трудната работа.

„Ниската употреба на енергия беше нашето основно изискване за проектиране“, казва Парлонс Бентата. „Искаме да премахнем най-много метан, като използваме най-малко енергия.“

Въпреки че водоснабдителните компании в Обединеното кралство са се ангажирали да бъдат декарбонизирани до 2030 г., базовите емисии на метан все още не се измерват широко. Бентата би искала да види повече финансиране за компании с отворен достъп, които могат да измерват метановите емисии по-точно, което да може да отприщи повече глобални инвестиции в технологии за отстраняване на метан. Това е от съществено значение, защото въпреки че е отговорен за една трета от глобалното затопляне, метанът получава само около 2% от финансирането за климатичните промени.

Емисиите на метан от водни обекти са особено недостатъчно проучени, казва Карол Хелфтер, екологичен физик в Центъра за екология и хидрология на Обединеното кралство, който изучава емисиите на метан от открити води. Но тази празнина в знанията може да започне да се затваря. „Когато погледнете научната литература, информацията се просмуква и картината се оформя бавно, но има много несигурност около големината на емисиите на метан от водни източници“, казва Хелфтер.

Появяващата се картина предполага, че „от крана може да изтича“ повече метан, отколкото се смяташе досега. През февруари проучване, публикувано от Принстънския университет, САЩ, съобщи, че емисиите на метан от централизирани съоръжения за пречистване на отпадъчни води вероятно ще бъдат двойно повече от сумата, докладвана преди това от Агенцията за опазване на околната среда на правителството на САЩ.

Според Хелфтер, който в момента измерва водните емисии на метан в три обекта в Обединеното кралство, най-точните данни идват от измерването на емисиите директно с помощта на микро-метеорологични техники като вихрова ковариация, която изчислява колко метан изтича директно от водата в атмосферата. Вземането на проби обаче не е практично в обширни области, така че се използва математическо моделиране за оценка на емисиите в регионален и глобален мащаб. Авангардни сателитни наблюдения на метан могат да помогнат за това, но има предизвикателства: наблюденията могат да бъдат ограничени от това колко често сателитът преминава над определен регион и облаците пречат, което е проблематично, особено над Обединеното кралство и големи части от тропиците.

Плюс това, както обяснява Хелфтер, "само защото във водата има метан, не означава, че той ще избяга в атмосферата; може да остане разтворен". Но при водноелектрическите язовири, например, турбуленцията на турбините – като разклащане на бутилка с газирана вода – предизвиква освобождаването на мехурчета метан.

Пари, пари, метан

„Не трябва да мислим за [разтворения метан] просто като за огромен проблем, а просто като за нов ресурс“, казва Парлонс Бентата, който иска да създаде стойност за този понастоящем изхабен газ.

Това е тревожно. Едно от тези езера произвежда толкова много метан, че езерото понякога се запалва – Карол Хелфтер

Тъй като язовирите са един от най-големите източници на метан от водата, те могат да бъдат добро място за начало. Екипът на Bluemethane измерва метана в 20 водноелектрически резервоара, от Бразилия до Камерун, за да идентифицира горещи точки, които биха могли да се възползват най-много от технологията за улавяне на ценния газ.

Възможността за монетизиране на улавянето на метан може да бъде голяма в страни като Бразилия, където водната енергия е основният източник на енергия. Bluemethane си партнира със софтуерната платформа Open Hydro, която помага на резервоари като Tucuruí да изчислят своите емисии и да декарбонизират сладководни системи. Тяхната нова рамка, Reservoir Methane Capture Mechanism, предоставя улавяне на метан като услуга за водноелектрически оператори в Бразилия. Това означава, че водноелектрическите оператори могат да отключат инвестиции и да използват улавяне на метан, за да генерират осезаеми финансови стимули като въглеродни кредити, без да поемат рискове, свързани със закупуването на новата технология.

Езеро, пълно с енергия

Огромни количества метан са задържани на дъното на дълбоко езеро, което граничи с Руанда и Демократична република Конго. Езерото Киву е известно като „езерото убиец“ поради риска от експлозивни изблици на метан в резултат на геоложка активност под повърхността, където се съединяват тектоничните плочи. Редки „преобръщания на езера“ се случват, когато водата стане толкова наситена с разтворени газове, а именно въглероден диоксид и метан, че газовете се отделят неконтролируемо като струи, заплашвайки милиони хора.

Пет енергийни компании добиват метан от езерото Киву като източник на енергия. През 2016 г. топлоелектрическа централа, работеща с газ метан, наречена KivuWatt, започна да генерира 26 MW така необходимо електричество от метана на езерото.

„Ние не просто ускоряваме по-чистата енергия; ние отключваме истинската стойност на нашия най-ценен ресурс“, казва Мария Убиерна, основател на Open Hydro, фирма, която също анализира емисиите на парникови газове, свързани с резервоарите. Убиерна вярва, че този подход може да ускори прехода към зелена енергия.

Веднъж уловен от водата, метанът може да се използва като биогаз за производство на електричество или да се надстрои до „зелен“ природен газ, който може да се използва за отопление, производство на електричество или гориво за превозни средства. Като алтернатива метанът може да се преобразува във водород или да се използва в горивни клетки за производство на електричество. Понастоящем по-голямата част от водорода в света се добива чрез метанови системи.

Използването на метан от хидроенергия за енергия – като например чрез изгарянето му или превръщането му във водород – все още освобождава въглероден диоксид в атмосферата, но не повече, отколкото евентуално би било освободено така или иначе от органичната материя, разлагаща се на дъното на резервоарите.

Докато улавянето на метан от африканското езеро Киву е екстремен пример, Хелфтер вижда огромен потенциал технологията на Bluemethane да бъде разпространена в развиващите се страни. Наскоро тя откри "изключително високи концентрации на метан" в открити езера в Бангалор, Индия, които получават сурови, непречистени отпадни води от милиони хора всеки ден.

Въпреки че това е необичайно, трябва да е предупреждение, казва тя. "Това е тревожно. Едно от тези езера произвежда толкова много метан, че езерото понякога се запалва. Но на места като това, ако можете да съберете тези големи количества метан, можете да създадете енергия и да намалите риска от пожар", казва Хелфтер.

Тъй като Хелфтер се тревожи, че развитието на инфраструктурата за отпадни води на места като Индия и Африка може да бъде „напълно изпреварено от скоростта на тази урбанизация“, така че емисиите на метан могат да представляват по-голям проблем в бъдеще, ако не се третират правилно.