早在1879 年,尼亞加拉瀑布便被開(kāi)發(fā)用于水力發(fā)電。3 a 后,美國(guó)首座商業(yè)發(fā)電廠投入運(yùn)營(yíng)。1895年,紐約建成尼亞加拉瀑布發(fā)電廠,裝機(jī)3 728 MW,且首次生產(chǎn)可用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)慕涣麟姟?/p>
由于水電開(kāi)發(fā)具有防洪、灌溉和發(fā)電等效益,因此,越來(lái)越受到人們的重視。1949 年,水電占美國(guó)總發(fā)電量的32%,隨后發(fā)電量持續(xù)增長(zhǎng),直到1974年,水電占美國(guó)總發(fā)電量的比例才開(kāi)始穩(wěn)步下降。由于缺少新建水電站,1974 年后水力發(fā)電量開(kāi)始減少,且年發(fā)電量經(jīng)常變化較大,有記錄顯示,水力發(fā)電量從1999 年的356 TW·h 降至2001 年的217 TW·h。
2009 年,水力發(fā)電僅占美國(guó)電力生產(chǎn)的7%,而全球平均水平為20%。美國(guó)傳統(tǒng)水電裝機(jī)容量為77 910 MW,抽水蓄能為20 538 MW。目光再次投向水電能源。在成熟的電力市場(chǎng),實(shí)施大型水電開(kāi)發(fā)方案的機(jī)會(huì)很少,而更多關(guān)注于升級(jí)改造已建電站和開(kāi)發(fā)小水電。
2009 年,美國(guó)政府宣布,計(jì)劃將通過(guò)提高水輪機(jī)效率,充分利用抽水蓄能電站及安裝徑流式水輪機(jī)等措施,以期將水電裝機(jī)容量提高70 000 MW。政府指出,在提高美國(guó)水電裝機(jī)容量的同時(shí),應(yīng)考慮到對(duì)環(huán)境造成的影響,無(wú)需新建許多大型水庫(kù),只要將精力放在已建項(xiàng)目上,新增電量就已相當(dāng)可觀。為開(kāi)發(fā)小水電蘊(yùn)藏量,能源部同意于2009 年在7 個(gè)新項(xiàng)目上投資3 060 萬(wàn)美元。
阿拉巴馬州電力公司獲得約600 萬(wàn)美元,用于對(duì)庫(kù)薩(Coosa)河3 座水電站的升級(jí)改造。將運(yùn)用不銹鋼水輪機(jī)和轉(zhuǎn)子取代20 世紀(jì)40 年代和60 年代的原有設(shè)施,在取水量相同的情況下,可產(chǎn)出更多的電量。升級(jí)改造始于2010 年6 月,以期使年發(fā)電量增加36 087 MW·h,即占總發(fā)電量的7.3%。
能源部為美國(guó)鋁業(yè)公司提供了約1.23億美元的資金,旨在對(duì)美國(guó)卡羅萊納州北部喬阿(Cheoah)河上的塔波科(Tapoco)大壩進(jìn)行升級(jí)改造,將利用不銹鋼水輪機(jī)取代4 臺(tái)已使用了90 a 的混流式水輪機(jī),預(yù)計(jì)總耗資約為1.23 億美元。據(jù)預(yù)測(cè),該措施將增加22 MW 的裝機(jī)容量,即占容量的28%。同時(shí),更換水輪機(jī)也可提高魚(yú)類(lèi)成活率。
美國(guó)新墨西哥州中部城鎮(zhèn)——洛斯阿拉莫斯獲得450 萬(wàn)美元資金,用于安裝裝機(jī)為3 MW 的小流量水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)總耗資850 萬(wàn)美元,可增加22%的裝機(jī)容量。此外,美國(guó)華盛頓州西部塔科馬市、科羅拉多州博爾德、華盛頓州西北能源公司,以及阿肯色州北小石城電力部也分別獲得460 萬(wàn)、118 萬(wàn)、80 萬(wàn)和45 萬(wàn)美元的相應(yīng)資助。
水電具有升級(jí)潛力,比如在發(fā)電效率和增容方面。裝機(jī)容量超過(guò)5 MW 的小水電應(yīng)受到重視,開(kāi)發(fā)利用得當(dāng)可將現(xiàn)有水電裝機(jī)容量提高近一倍。
奧潤(rùn)柯(Orenco)水電公司,位于加利福尼亞州帕洛阿爾托市,其創(chuàng)始人兼副主席M.馬托塞克表示,目前美國(guó)有多座大壩未用于發(fā)電。因此,他主張?jiān)黾铀婍?xiàng)目建設(shè),并認(rèn)為,對(duì)已建大壩進(jìn)行升級(jí)或改造,是增加美國(guó)可再生能源最切實(shí)可行的方法。
此外,他還將風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目與新增水電項(xiàng)目進(jìn)行比較。作為戰(zhàn)略決策集團(tuán)(SDG)咨詢(xún)公司總經(jīng)理,他指出,風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)成本約為2 500~3 500 美元/kW,平均發(fā)電量約為裝機(jī)容量的25%。而水電項(xiàng)目?jī)H需1 500~2 500 美元/kW,新建水電項(xiàng)目的平均成本不足風(fēng)力發(fā)電成本的一半。
因此,他認(rèn)為發(fā)展水電帶來(lái)的可觀經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn),特別是當(dāng)汽油價(jià)格飆升和依靠其他發(fā)電能源(如煤炭)難以滿足利用可再生能源發(fā)電要求的時(shí)候。
然而,原田納西流域管理局的高級(jí)產(chǎn)品管理經(jīng)理P.瑪馳則持有不同觀點(diǎn)。他表示,如果水電項(xiàng)目仍有市場(chǎng),那么就可對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行開(kāi)工建設(shè)。然而,據(jù)他回憶,早在20 世紀(jì)80 年代,能源部就曾鼓勵(lì)建設(shè)類(lèi)似的小水電項(xiàng)目。但是,由于人為或自然因素,幾個(gè)項(xiàng)目紛紛以失敗告終。
從局部影響和減緩溫室氣體排放來(lái)說(shuō),水電項(xiàng)目通常都不符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。在水電建設(shè)中,經(jīng)常會(huì)提出環(huán)境問(wèn)題,但卻不能完全得以解決。尤其是,減少對(duì)當(dāng)?shù)氐挠绊憰?huì)增加開(kāi)發(fā)成本,從而影響小水電項(xiàng)目的收益率。
田納西州橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究與發(fā)展高級(jí)職員G.卡達(dá)稱(chēng),目前所面臨的環(huán)境問(wèn)題與20 世紀(jì)90年代相似。由于修建大壩減緩了水流流速,使懸浮的泥沙和碎片沉積下來(lái),破壞了水生植物,植物腐爛又引起甲烷大量排放,從而導(dǎo)致水庫(kù)很快沼澤化,必須采取適當(dāng)?shù)男沽鞔胧﹣?lái)解決這一問(wèn)題。
魚(yú)類(lèi)死亡則是另一個(gè)問(wèn)題。上下游遷移的魚(yú)類(lèi)往往很難通過(guò)水輪機(jī)。G.卡達(dá)指出,通過(guò)一些老式水輪機(jī)的魚(yú)類(lèi)僅有不到30%的存活率。而現(xiàn)代水輪機(jī)(如混流式水輪機(jī))可大大提高魚(yú)類(lèi)存活率,可達(dá)50%~80%,運(yùn)用軸流式水輪機(jī)則可達(dá)90%~95%。2005 年,德國(guó)福伊特公司宣稱(chēng),其生產(chǎn)的水輪機(jī)安裝在華盛頓瓦納龐(Wanapum)大壩上,魚(yú)類(lèi)通過(guò)時(shí)成活率高達(dá)98%。在西北部斯內(nèi)克河建造的大壩上,也安裝了類(lèi)似的水輪機(jī)。然而,該技術(shù)只適用于大型水電項(xiàng)目。瓦納龐水電站裝機(jī)容量1 038 MW,投資達(dá)1.2億美元。因此,從商業(yè)角度考慮,這并不適合小型項(xiàng)目。
下游河水的含氧量是需要關(guān)注的另一環(huán)境問(wèn)題。盡管該問(wèn)題普遍存在于大型項(xiàng)目。水庫(kù)底部水流進(jìn)入壓力管道時(shí),含氧量較低,水流至下游時(shí)將會(huì)產(chǎn)生不利影響,這就要求采用先進(jìn)的曝氣式水輪機(jī)。當(dāng)水流通過(guò)該水輪機(jī)時(shí)可產(chǎn)生氣泡,從而提供充足的氧氣。但采用該技術(shù)會(huì)增加投資。
如果不重視環(huán)境問(wèn)題,在某些情況下,結(jié)果可能會(huì)與能源部的初衷相悖。因?qū)Υ髩芜M(jìn)行升級(jí)改造而使其受到破壞,導(dǎo)致水力發(fā)電量減少。以加利福尼亞州蔚町市的巴特爾克里克河為例,2010 年7 月,工程師們開(kāi)始了美國(guó)歷史上最大的流域恢復(fù)項(xiàng)目之一。他們計(jì)劃拆除太平洋煤電公司擁有的4 座大壩,這將導(dǎo)致總裝機(jī)容量從28 MW 下降至20 MW。
資助該工程的單位有:加州聯(lián)邦銀行、國(guó)家海洋漁業(yè)局、美國(guó)魚(yú)類(lèi)與野生動(dòng)物局、美國(guó)墾務(wù)局,以及加州漁業(yè)部以及太平洋煤電公司。拆除大壩后如何完全恢復(fù)河流將成為未來(lái)10 a 內(nèi)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。該工程預(yù)計(jì)耗資1.25億美元,歷時(shí)4 a 竣工。此外,工程還將為河道兩側(cè)配置魚(yú)道、安裝護(hù)魚(yú)篩網(wǎng),以使該河的水生生物重獲新生,并為珍稀物種切努克鮭魚(yú)和鱒魚(yú)提供交配場(chǎng)所。
新建水電項(xiàng)目受到監(jiān)管。當(dāng)水電前景不樂(lè)觀時(shí),監(jiān)管機(jī)構(gòu)就將阻止新項(xiàng)目上馬。項(xiàng)目一旦確立,聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)的審批程序就將成為難以逾越的行政障礙。M.馬托塞克相信,該市場(chǎng)將會(huì)越來(lái)越活躍,但復(fù)雜且耗時(shí)的審批程序也是存在的挑戰(zhàn)之一。
相對(duì)于太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)2.5 a 的審批時(shí)間,F(xiàn)ERC 對(duì)新水電項(xiàng)目進(jìn)行審批需要5.5 a。對(duì)前者的審批受內(nèi)政部礦產(chǎn)管理部門(mén)控制。雖然通過(guò)努力可以簡(jiǎn)化水電項(xiàng)目的審批程序,但要達(dá)到裝機(jī)容量為100 MW 的風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的審批標(biāo)準(zhǔn),仍需要很長(zhǎng)時(shí)間。新建大壩的審批程序繁瑣,對(duì)已建大壩也同樣如此。
FERC 正在努力調(diào)整對(duì)小水電的審批現(xiàn)狀,2010 年8 月與科羅拉多州簽訂了備忘錄,計(jì)劃簡(jiǎn)化對(duì)試點(diǎn)計(jì)劃的審批程序。科羅拉多州將篩選出相關(guān)項(xiàng)目,通過(guò)FERC 認(rèn)可后,將省去前兩個(gè)討論階段,這將會(huì)節(jié)約1 a 多的審批時(shí)間。
在幾個(gè)正在實(shí)施的大型項(xiàng)目中,能源部也利用著名的分類(lèi)免責(zé)條款,使FERC 免去最耗時(shí)的審批環(huán)節(jié)。與其他項(xiàng)目一樣,這些都屬于聯(lián)邦政府緩解環(huán)境問(wèn)題的常規(guī)措施。
雖然小水電在可再生發(fā)電裝機(jī)容量方面能長(zhǎng)期、顯著地增長(zhǎng),但在許多方面,其對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響比太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)都大。本質(zhì)上,處理好水電對(duì)當(dāng)?shù)刈匀凰w環(huán)境的影響將會(huì)增加工程成本。相對(duì)而言,徑流式水電站影響較小,因而可能更易實(shí)施。當(dāng)實(shí)施部分河流恢復(fù)項(xiàng)目時(shí),也許是對(duì)美國(guó)許多現(xiàn)有的大壩進(jìn)行升級(jí)改造的最佳時(shí)機(jī),而不應(yīng)一味反對(duì)。