Övervakning av vattenkraftsdamm ger nya insikter om koldioxidutsläpp

Karibadammen reglerar världens största konstgjorda vattenreservoar och producerar el åt miljontals människor i Zambia och Zimbabwe. En färsk studie visar hur fördämningen påverkar utsläppen av växthusgaser i dammen och nedströms. Med hjälp av Xylems multiparametersond YSI EXO2 för kontinuerlig övervakning har forskarna kunnat inhämta ny kunskap om hur vattenkraftverk kan optimeras för att minska koldioxidutsläppen.

Karibadammen bjuder på hissnande vyer. Den ligger längs gränsen mellan Zambia och Zimbabwe och dämmer upp floden Zambezi, som utgör en av Afrikas största vattenvägar. Dammbyggnaden är 579 meter bred, 128 meter hög och 24 meter tjock och fördämningen har bildat den 223 kilometer långa Karibasjön.

Vattenkraft brukar betraktas som en ”ren” energikälla men den kan faktiskt orsaka utsläpp av växthusgaser när organiskt material i dammen bryts ned. Det har dock inte gjorts några större studier när det gäller hur stora utsläppen är och hur mycket de varierar.

En forskargrupp från den tekniska universitetet ETH Zürich i Schweiz, under ledning av Elisa Calamita och huvudforskaren Bernhard Wehrli, har nyligen genomfört en studie då de har mätt utsläppen av växthusgaser från Karibadammen och hur de varierar.

– Det är allmänt erkänt att sjöar och reservoarer ger ifrån sig utsläpp och att det kan finnas utsläpp nedströms vattenkraftverken. Det är dock inte helt enkelt att mäta alla dynamiska säsongsvariationer och få en korrekt uppskattning av dessa utsläpp, säger Scott Winton, forskare vid Stanford University i Palo Alto, Kalifornien, USA, och postdoktoral forskare vid ETH, som arbetat tillsammans med Calamita

RForskaren dr Scott Winton

Genom att använda kontinuerlig övervakning i stället för att ta stickprover upptäckte teamet att vattenkraftsdammen Kariba släpper ut 18 000 till 35 000 ton koldioxid per år. Teamet från ETH Zürich kunde också kartlägga mycket stora variationer i koldioxidutsläppen inte bara mellan säsonger utan även på dygnsnivå. Om teamet bara hade använt stickprover och inte kontinuerlig övervakning skulle deras beräkningar kunna ha överskattat koldioxidutsläppen med upp till 30 % eller underskattat dem med så mycket som 90 %.

Vad orsakar variationerna i koldioxidutsläppen?

Winton förklarar att organiskt material bryts ned när det sjunker till botten i djupa sjöar och vattenreservoarer och frigör då koldioxid (och under anoxiska förhållanden även metan). När koldioxiden (CO2) flyter upp till ytan kommer den ut i atmosfären. Mycket finns dock kvar upplöst i de kalla djupare skikten i vattenprofilen.

Den upplösta koldioxiden i de djupare kallare områdena i reservoaren och vattenvägarna nedströms bidrar till variationerna i utsläppen. När temperaturen förändras från säsong till säsong blandas det skiktade vattnet, vilket kan leda till stora kortvariga utsläpp av denna länge upplösta koldioxid. Om turbinerna dessutom suger ut vatten från de djupare områdena av dammen kommer vattnet att innehålla mer upplöst koldioxid.

Variationerna kan också bero på skillnader i förbrukningsnivån. Vid Karibadammen toppar kundernas elförbrukning på morgonen och under sen eftermiddag. När mer vatten släpps ut från dammen för att möta efterfrågan kan även koldioxidutsläppen öka.

Akut behov av att mäta utsläppen noga

Problemet som de flesta forskare ställs inför är att de bara har tillgång till ett fåtal mätningar som de måste extrapolera utsläppen från.

”Om man begränsas till en manuell process – och gasflödesmätningar, vilket är det som vi har att tillgå här – finns det en risk att man missar dessa variationer”, säger Winton. ”Det viktiga med att ha en automatiserad datainsamling under lång tid är att man kan registrera säsongsbetingade avvikelser och till och med driftrelaterade cykler över dygnet, vilket vi kunde se vid Karibasjön.”

TTeamet hade varnat för risken för stora felaktigheter i uppskattningarna av koldioxidutsläpp från vattenkraftverk i Proceedings of the National Academy of Sciences. I rapporten framhålls ett akut behov av noggrannare uppskattningar eftersom det finns fler än 58 000 dammar som är minst fem meter höga runtom i världen och nästan 3 700 vattenkraftsdammar som är under uppbyggnad eller projektering.

Insamling av timdata med YSI EXO2-multiparametersonder

Winton berättar att det viktigaste verktyget för teamet för att upptäcka och kvantifiera utsläppsvariationerna har varit YSI EXO2-multiparametersonderna. Varje timme i nästan ett år mätte varje sond temperatur, konduktivitet, pH-värde och upplöst syre.

Multiparametersonden YSI EXO2

– Vi hade aldrig kunnat genomföra den här studien utan den högfrekventa informationen. Att ha en sensor på plats som utför mätningar varje timme under väldigt lång tid gör att man kan få svar på massor av frågor som inte hade varit möjligt annars. Och om man är intresserad av just vattenkraft sker ju allt det man vill ha svar på med väldigt täta mellanrum, timme för timme, säger Winton.

Forskare från ETH Zürich mätte koldioxidhalten på 17 ställen i Zambezi med bifloder och i Karibasjön. De tog också vattenprover att ta med tillbaka till labbet i Schweiz för analys av koldioxid och metan. Till sist använde de handhållna YSI-instrument för att mäta temperatur, upplöst syre, konduktivitet och pH-värde för att undersöka påverkan från bifloder, mäta förhållanden djupt nere i sjön och korsjämföra EXO2-data.

Förhindra koldioxidläckor från vattenkraftsdammar

Långvarig in situ-övervakning av vattenkvaliteten skulle kunna vara ett viktigt verktyg för att förhindra stora koldioxidläckor från dammar i framtiden. System som kan hämta vatten från olika skikt i en reservoar skulle kunna vara en bra strategi för att minska koldioxidutsläppen, enligt Winton. Att förstå en reservoars termoklin, det vill säga övergångsskiktet mellan grunt varmt vatten och kallt djupt vatten, är en viktig del av den här strategin.

– Något man kan göra om man har en ny damm, eller om man ska bygga om en befintlig damm, är att bestämma varifrån vattnet ska tas. Har man en infrastruktur där man kan ha koll på syrehalten i det djupa vattnet och i det grunda vattnet och hur hög termoklinen är och sedan har ett system där man kan välja på vilket djup man ska ta vattnet, då skulle man också kunna undvika en stor del av de här problemen, säger han.

Den största behållningen för Winton har varit de insikter man kan komma fram till när ett tvärvetenskapligt forskarteam ställer de avgörande frågorna.

– Vi reste till Zambia med i princip en enda enkel frågeställning: ”Vad är statusen på vattenkvaliteten i den här dammen och vilka är hoten mot den? Hur ser dammars påverkan ut?” säger Winton.

Svaret har enorma konsekvenser för förståelsen av vad som händer djupt nere i vattenreservoarerna bakom tusentals fördämningar och hur beslutsfattare kan göra bättre bedömningar av vattenkraftens påverkan.

Läs hela reportaget och mer

Ladda ned nummer 9 av YSI:s gratistidning Mission: Water.

Författat av Steve Werblow Foton av Scott Winton och ATEC-3D Ltd.