Nuovi dati sulle emissioni di carbonio grazie al monitoraggio di una diga idroelettrica
La Diga di Kariba contiene il bacino artificiale più grande al mondo e genera l’energia elettrica necessaria per milioni di persone in Zambia e Zimbabwe. Un recente studio ha dimostrato il suo impatto sul rilascio di emissioni di gas serra sia nel bacino che a valle. Utilizzando la sonda multiparametrica YSI EXO2 di Xylem, i ricercatori hanno ricavato nuovi dati preziosi su come gli impianti idroelettrici possono essere ottimizzati per ridurre le emissioni di carbonio.
La Diga di Kariba è veramente imponente ed è situata al confine dello Zambia con lo Zimbabwe sul fiume Zambezi, una delle vie d’acqua più grandi dell’Africa. La diga ha una larghezza di 579 metri, un’altezza di 128 metri e uno spessore di 24 metri e forma il Lago Kariba, un bacino lungo 223 km.
Nonostante l’idroelettrico sia considerato una fonte di energia “pulita”, i bacini idroelettrici possono produrre emissioni di gas serra dalla decomposizione di materia organica. Tuttavia, quante emissioni vengono generate e come possono variare non sono ancora stati studiati a fondo.
Recentemente, un team di ricercatori del Politecnico Federale di Zurigo (ETH), coordinato da Elisa Calamita e con Bernhard Wehrli come direttore sul campo, ha deciso di misurare le emissioni di gas serra della Diga di Kariba e la loro variabilità.
“È ampiamente risaputo che laghi e bacini generano delle emissioni, e nel caso degli impianti idroelettrici anche a valle”, afferma Scott Winton, ricercatore alla Stanford University di Palo Alto, California (USA), che ha collaborato a un progetto post-dottorato all’ETH con Elisa Calamita. “Il problema è comprendere tutte le dinamiche stagionali per stimare queste emissioni con precisione.”
Scott Winton, ricercatore
Grazie al monitoraggio continuo, e non al prelievo a campione, il team ha scoperto che la centrale idroelettrica della Diga di Kariba rilascia 18.000–35.000 tonnellate metriche di carbonio all’anno sotto forma di biossido di carbonio. Inoltre, il team dell’ETH di Zurigo ha registrato forti oscillazioni stagionali e addirittura giornaliere delle emissioni di anidride carbonica. Con il metodo del prelievo a campione, i calcoli avrebbero potuto sovrastimare le emissioni di carbonio fino al 30% o sottostimarle addirittura del 90%.
A che cosa sono dovute le variazioni nelle emissioni di CO2?
WWinton spiega che, quando cade sui fondali dei laghi e dei bacini più profondi, la materia organica si decompone rilasciando anidride carbonica (e metano in condizioni anossiche). Questa anidride carbonica (CO2) risale quindi in superficie e viene rilasciata nell’atmosfera. Tuttavia, in gran parte rimane dissolta negli strati più freddi e profondi del profilo delle acque.
TLa CO2 dissolta nelle aree più fredde e profonde del bacino e nelle vie d’acqua a valle contribuisce in modo determinante alla variabilità delle emissioni. In seguito ai cambi di temperatura stagionali, l’acqua stratificata nei bacini si mescola e può portare a grandi e repentini volumi di emissioni di questa CO2 dissolta da tempo. Inoltre, il carico di CO2 dissolta può aumentare ulteriormente se le turbine della diga pescano l’acqua nelle aree più profonde.
Le oscillazioni possono essere dovute anche alle variazioni nella domanda. Ad esempio, alla Diga di Kariba, il fabbisogno di elettricità raggiunge il picco al mattino e nel tardo pomeriggio. Aumentando il rilascio d’acqua dal bacino per sostenere questa domanda, anche le emissioni di carbonio possono aumentare.
L’esigenza urgente di una misurazione accurata delle emissioni
Per molti ricercatori, la sfida consiste nel fatto che hanno a disposizione solamente poche misurazioni per estrapolare le emissioni.
“Se devi affidarti a un processo manuale – come spesso accade nel caso delle misurazioni dei flussi di gas – è veramente difficile cogliere queste oscillazioni”, spiega Winton. “È per questo che è così importante una raccolta dei dati automatizzata di lungo periodo, che può aiutarti a catturare le discrepanze stagionali e addirittura i cicli giornalieri correlati alle attività in corso, come abbiamo visto al Lago Kariba”.
Il team ha quindi messo in guardia dal rischio di grandi imprecisioni nelle stime delle emissioni di carbonio dagli impianti idroelettrici in un articolo sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences. Il paper evidenzia l'esigenza urgente di valutazioni più accurate, in quanto attualmente nel mondo vi sono più di 58.000 dighe da oltre 5 metri e quasi 3.700 dighe idroelettriche in costruzione oppure in fase di progettazione.
La raccolta oraria dei dati con le sonde multiparametriche YSI EXO2
Winton afferma che lo strumento chiave per il riconoscimento e la quantificazione delle oscillazioni delle emissioni è stato il set di sonde multiparametriche YSI EXO2 a disposizione del team. Ogni ora, per quasi un anno, ogni sonda ha misurato la temperatura, la conduttività, il pH e l’ossigeno dissolto.
La sonda multiparametrica YSI EXO2
“Questo studio non sarebbe mai stato possibile senza una frequenza elevata di informazioni”, spiega Winton. “Infatti, è stata la possibilità di avere un sensore in grado di effettuare delle misurazioni a cadenza oraria per moltissimo tempo a consentirci di rispondere a una serie di domande che altrimenti non avrebbero trovato una risposta. E, nel caso specifico dell’idroelettrico, le risposte a molte di queste domande possono variare considerevolmente di ora in ora”.
I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno misurato i livelli di anidride carbonica in 17 punti differenti del fiume Zambezi, dei relativi immissari e nel Lago Kariba. Inoltre, hanno raccolto diversi campioni d’acqua da analizzare successivamente in laboratorio in Svizzera per misurare in modo accurato le quantità di anidride carbonica e metano. Infine, hanno utilizzato gli strumenti portatili YSI per misurare temperatura, ossigeno dissolto, conduttività e pH al fine di stimare l’impatto degli immissari, misurare le condizioni nelle profondità del lago e confutare i dati forniti dalle sonde EXO2.
Prevenzione del rilascio di carbonio dalle dighe idroelettriche
Il monitoraggio a lungo termine della qualità dell’acqua in situ può essere determinante per prevenire il rilascio di livelli elevati di carbonio dalle dighe in futuro. Winton afferma che una delle possibili strategie per ridurre i rilasci di CO2 è rappresentata da sistemi di ammissione in grado di prelevare l’acqua da diversi strati di un bacino. Tuttavia, a tal scopo è fondamentale comprendere il termoclino di un bacino, cioè lo strato di transizione tra lo strato di acqua calda in superficie e lo strato di acqua fredda in profondità.
“One thing you can do if you have a new dam, or you want to retrofit an existing one, is determine ‘where is the water coming from?’” he says. “If you have infrastructure where you can keep track of oxygen content in the deep water, oxygen in the shallow water, and the height of the thermocline, and then you have an intake system where you can choose the depth you’re sourcing the water, you could potentially avoid a lot of this problem.”
The biggest takeaway for Winton was the discoveries that can come from asking big questions of a multidisciplinary research team.
“In questo modo, in caso di realizzazione di una nuova diga o rifacimento di una diga esistente, è possibile determinare da dove proviene l’acqua!”, spiega. “Disponendo di un’infrastruttura che permetta di tracciare il contenuto di ossigeno nelle acque più profonde, quello nelle acque di superficie e l’altezza del termoclino, è possibile determinare con precisione a quale profondità aspirare l’acqua e di conseguenza ridurre al minimo questo problema”.
Per Winton, il successo più grande del progetto è rappresentato dalle scoperte che si possono ottenere quando un team di ricercatori interdisciplinare si pone delle grandi domande.
“In pratica, siamo andati in Zambia con una domanda piuttosto generica, cioè ‘qual è lo stato della qualità dell’acqua in questo bacino e quali sono le principali minacce? Quale impatto può avere la diga?’”, afferma Winton.
La risposta ha implicazioni enormi per comprendere che cosa accade nelle profondità dei bacini dietro migliaia di dighe e consentire ai decision-maker di valutare in modo più completo l’impatto delle centrali idroelettriche.
La storia completa e tanto altro
Scarica il numero 9 della rivista gratuita di YSI, Mission: Water.
Scritto da Steve Werblow. Fotografie di Scott Winton e ATEC-3D Ltd.